4集成运算放大器及其应用（课件）《电子技术基础（第二版）》（中国劳动保障出版社）

电子技术基础（第二版） 课题四 集成运算放大器及其应用 直流稳压电源 任务一 任务二 集成运算放大器的线性应用 集成运算放大器的非线性应用 集成运算放大器及其应用 1. 级间耦合形式 集成电路是 20 世纪 60 年代发展起来的一种新型电子器件， 它采用半导体集成工艺，把众多晶体管、 电阻器、 电容器和导线制作在一块半导体基片上， 做成具有特定功能的独立电子线路。 与分立元件电路相比， 集成电路具有体积小、 质量轻、 性能好、 可靠性高、耗电少、 成本低等优点。 集成运算放大器是模拟集成电路的一种， 是从最初用于模拟电子计算机中作为直流电压运算部件发展起来的。 由于集成运算放大器具有良好的性能， 因此被广泛应用在计算技术、 自动控制、 无线电技术和各种电量与非电量的测量线路中。 任务一 集成运算放大器的线性应用 学习目标 了解差动放大电路的组成与特点 熟悉集成运算放大器的图形符号和工作特性 掌握集成运算放大器线性应用电路的组成及分析方法 掌握采用集成运算放大器的放大电路 (反相比例运算放大电路)的安装、 调试与检修 任务引入 在课题二任务 1 “单管放大电路及其应用” 中， 利用单管放大电路对音乐信号进行放大。 本任务是利用集成运算放大器来实现音乐信号的放大， 其电路板如图 4 - 1 - 1所示。 图 4-1-1 采用集成运算放大器的放大电路 (反相比例运算放大电路) 板 相关知识 一、 差动放大电路 用于放大缓慢变化的信号或某个直流量变化的放大电路称为直流放大器， 对于微弱的信号来说， 一般需要多级放大才能达到要求， 考虑到阻容耦合和变压器耦合都不能传递直流信号， 因此只能采用直接耦合方式， 但是直接耦合方式容易带来零点漂移现象。 图 4-1-2 零点漂移 1. 零点漂移 (1) 零点漂移的定义 所谓零点漂移， 是指当直流放大器输入信号为零时 (输入端对地短路)， 由于静态工作点的不稳定而引发缓慢、 时大时小、 时快时慢的不规则变化， 这种变化经过逐级放大，使直流放大器输出端的输出信号偏离了原来的初始值 (零值) 而做缓慢、 不规则地上下飘移， 如图 4-1-2 所示。 相关知识 2. 差动放大电路的组成 抑制零点漂移较为有效的办法是采用具有对称结构的差动放大电路。如图 4-1-3 所示， 差动放大电路由对称的两个共射极基本放大电路， 通过射极公共电阻器 RE 耦合构成。 对称的含义是指两只三极管的特性一致， 电路参数对应相等， 同时利用 RE 的负反馈作用进一步抑制每只三极管的零点漂移。 图 4-1-3 差动放大电路 相关知识 3. 对零点漂移的抑制作用 当输入电压 ui= 0 时， ui1= ui2= 0， 由于电路完全对称， 则 VB1= VB2 ， IB1= IB2 ， IC1= IC2 ，VC1= VC2 ， 因此输出电压 uo= VC1-VC2= 0， 静态时输出电压为零。当温度变化时， 引起两只三极管的集电极电流和集电极电压产生等量的变化， 输出端的漂移电压相互抵消使输出电压仍然为零。 相关知识 4. 放大作用 (1) 差模输入 如图 4-1-4a 所示， 从差动放大电路的两个输入端分别输入一对大小相等、 极性相反的信号， 将使两只三极管产生相反的变化， 这种输入信号称为 “差模信号”， 这种输入方式称为 “差模输入方式”。差动放大电路对差模信号具有放大作用。 相关知识 4. 放大作用 差模电压放大倍数 可知， 差模电压放大倍数与单管放大电路电压放大倍数相同， 多用一只三极管作为补偿， 换取对零点漂移的抑制作用。 相关知识 4. 放大作用 (2) 共模输入 如图 4-1-4b 所示， 从差动放大电路的两个输入端分别输入一对大小相等、 极性相同的信号， 将使两只三极管产生相同的变化， 这种输入信号称为 “共模信号”， 这种输入方式称为 “共模输入方式”。实际工作中经常遇到共模输入的情况， 例如， 外界的干扰信号同时进入两个输入端，温度的变化和电源电压的波动引起的漂移电压折合到输入端也相当于共模信号， 因此需要差动放大电路对共模信号不起放大作用， 具有一定的抗共模干扰能力。 相关知识 4. 放大作用 共模电压放大倍数 可知， 对于完全对称的差动放大电路， 共模输入时的输出电压为零， 因此共模电压放大倍数也为零。 实际上， 电路不可能完全对称， 因此 Auc 应尽可能小。 相关知识 4. 放大作用 (3) 共模抑制比 差动放大电路的作用是放大有用的差模信号， 抑制无用且有害的共模信号， 故衡量一个差动放大电路的质量， 不但要看其对差模信号的放大能力， 而且要看其对共模信号的抑制能力， 常用差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比 (即共模抑制比 KCMR ) 衡量差动放大电路的质量。 相关知识 4. 放大作用 当电路完全对称时， Auc= 0， KCMR 趋于无穷大。 电路对称性越差， KCMR 越小， 表明电路抑制零点漂移的能力越差。 图 4-1-4 差动放大电路的两种输入信号 a) 差模信号 b) 共模信号 相关知识 二、 理想集成运算放大器 1. 集成运算放大器的图形符号和外形 图 4-1-5 理想集成运算放大器的图形符号 (1) 理想集成运算放大器的图形符号 (见图 4-1-5)图中， 三角形符号表示放大器， 三角形顶角方向为信号传输方向， “∞ ” 表示理想条件下开环差模电压放大倍数无穷大。 它有两个输入端和一个输出端。 同相输入端标 “+” (或 P)， 输出端信号与该端输入信号同相。反相输入端标 “ -” (或 N)， 输出端信号与该端输入信号反相。 相关知识 图 4-1-6 集成运算放大器的外形 a) 扁平式 b) 单列直插式 c) 双列直插式 (2) 集成运算放大器的外形 集成运算放大器包括扁平式、 单列直插式和 双列直插式等多种封装形式， 如图 4-1-6 所示。 1. 集成运算放大器的图形符号和外形 相关知识 2. 理想集成运算放大器的电压传输特性 理想集成运算放大器的输出电压与输入电压 (即同相输入端与反相输入端之间的电压差值) 之间的关系曲线称为电压传输特性曲线， 如图 4-1-7 所示。 曲线分为线性区和非线性区。 在线性区， 输出电压 uo 随输入电压 ui ( = uP-uN ) 的变化而线性变化; 但是在非线性区， 输出电压 uo 只有两种可能， 即+Uom 或者-Uom 。 图 4-1-7 理想集成运算放大器的电压传输特性曲线 相关知识 3. 理想集成运算放大器的工作特性 1) 因理想集成运算放大器的开环差模电压放大倍数接近∞ ， 因此净输入电压 uP-uN=0， 即 uP= uN。 这一特性称为 “虚短”。 2) 因理想集成运算放大器的差模输入电阻接近∞ ， 因此两个输入端的输入电流均为零， 即 iP= iN= 0。 这一特性称为 “虚断”。 (2) 理想集成运算放大器工作在非线性区时 1) 当 uP >uN 时， uo= +Uom ; 当 uP <uN 时， uo= -Uom 。 即 uP≠uN。因此理想集成运算放大器工作在非线性区时， 不再具有 “虚短” 特性。 2) 两个输入端的输入电流仍为零， 即 iP= iN= 0。 因此理想集成运算放大器工作在非线性区时， 仍然具有 “虚断” 特性。 相关知识 三、 集成运算放大器的线性应用电路 1. 比例运算放大电路 (1) 反相比例运算放大电路 反相比例运算放大电路如图 4-1-8a 所示， 其特点是输入信号和反馈信号都加在集成运算放大器的反相输入端。 图中， Rf 为反馈电阻器， R2 为平衡电阻器， 取值为 R2= R1∥Rf。 接入 R2 是为了使集成运算放大器输入级的差动放大电路对称， 有利于抑制零点漂移。由于同相输入端接地， 根据 “虚短” 特性， 则 uP= uN= 0; 根据 “虚断” 特性， 净输入电流为零， 则 i1= if。 相关知识 由图 4-1-8a 可得 1. 比例运算放大电路 放大电路的电压放大倍数为 式中， 负号表示 uo 与 ui 反相， 因此该放大电路称为反相放大电路。由于 uo 与 ui 成比例关系， 故又称为反相比例运算放大电路。若取 Rf=R1=R， 则比例系数为-1， 电路便成为反相器。 相关知识 (2) 同相比例运算放大电路 同相比例运算放大电路如图 4-1-8b 所示， 其特点是输入信号经平衡电阻器 R2 接到同相输入端。根据 “虚短” 特性， uP= uN; 根据 “虚断” 特性， iN= 0， uP= ui。由图 4-1-8b 可得 1. 比例运算放大电路 放大电路的电压放大倍数为 相关知识 1. 比例运算放大电路 图 4-1-8 比例运算放大电路 a) 反相比例运算放大电路 b) 同相比例运算放大电路 相关知识 uo 与 ui 同相且成比例关系， 因此该放大电路称为同相放大电路， 又称为同相比例运算放大电路。 若令 Rf= 0， R1= ∞ (即开路状态)， 则比例系数为 1， 电路便成为电压跟随器。 1. 比例运算放大电路 相关知识 2. 加法运算电路 在反相放大电路的基础上， 若使几个输入信号同时加在集成运算放大器的反相输入端上， 则称为反相加法运算电路；在同相放大电路的基础上， 若使几个输入信号同时加在集成运算放大器的同相输入端上， 则称为同相加法运算电路。 图 4-1-9 所示为反相加法运算电路。 图 4-1-9 反相加法运算电路 相关知识 2. 加法运算电路 根据 “虚短” 和 “虚断” 特性， i1+i2= if。 经整理可得 如果 R3=R4=Rf= 10 kΩ， 则 上式表明， 输出电压等于各输入电压之和， 实现了加法运算。 式中， 负号表示输出电压与输入电压相位相反。 由于反相输入端 “虚地”， 因此各输入电压之间相互影响极小。该电路常用在测量和控制系统中， 对各种信号按不同比例进行组合运算。 相关知识 3. 积分运算电路 将反相比例运算放大电路中的反馈电阻器 Rf 并联一个电容器 C， 即可构成积分运算电路， 如图 4-1-10 所示。 图 4-1-10 积分运算电路 相关知识 3. 积分运算电路 当输入阶跃电压时， 输出电压波形如图 4-1-11a 所示; 当输入方波电压， 且R1C≫tp(tp 为脉冲宽度) 时， 输出电压波形如图 4-1-11b 所示。 图 4-1-11 积分运算电路的输入、 输出电压波形 a) 输入为阶跃电压 b) 输入为方波电压 相关知识 4. 微分运算电路 微分运算电路如图 4-1-12 所示。 若输入方波电压， 且 RfC≪tp (tp 为脉冲宽度)， 则输出电压为尖脉冲波形， 如图 4-1-13所示。 图 4-1-12 微分运算电路 图 4-1-13 微分运算电路的 输入、 输出电压波形 任务二 集成运算放大器的非线性应用 学习目标 熟悉单门限电压比较器、 双门限电压比较器的工作特性 掌握集成运算放大器非线性应用电路的组成及分析方法 掌握方波发生电路的工作原理、 安装、 调试与检修 任务引入 函数信号发生器是一种使用范围广泛的多波形通用信号源， 可以产生正弦波、 方波、三角波、 锯齿波甚至任意波形， 适用于生产测试、 仪器维修和实验室， 广泛应用于医学、教育、 化学、 通信、 地球物理学、 工业控制、 军事和宇航等领域， 如图 4-2-1 所示。 图 4-2-1 函数信号发生器 任务引入 本任务是利用集成运算放大器制作方波发生电路， 熟悉其工作原理和调试、 检修方法， 其电路板如图 4-2-2 所示， 输出波形如图 4-2-3 所示。 图 4-2-2 方波发生电路板 图 4-2-3 方波发生电路的输出波形 相关知识 当集成运算放大器处于开环状态或引入正反馈时， 其工作在非线性区。 输出电压只有两种可能的数值， 即 uP >uN 时， uo= +Uom (高电平) uP <uN 时， uo= -Uom (低电平) 式中， Uom 为输出饱和电压。 集成运算放大器的非线性特性在数字电子技术和自动控制系统中有广泛的应用， 电压比较器是典型的集成运算放大器非线性应用电路。 相关知识 一、 单门限电压比较器 1. 单门限电压比较器的图形符号和工作特性 图 4-2-4a 所示为单门限电压比较器的图形符号， UR 为门限电压， ui 为输入电压。图 4-2-4b 所示为 UR >0 时， 单门限电压比较器的传输特性曲线。 图 4-2-4 单门限电压比较器 a) 图形符号 b) 传输特性曲线 相关知识 1. 单门限电压比较器的图形符号和工作特性 当 UR >0 时， 单门限电压比较器的传输特性曲线具有以下特点: (1) 当 ui>UR 时， 输出电压 uo= -Uom 。 (2) 当 ui<UR 时， 输出电压 uo= +Uom 。 相关知识 2. 单门限电压比较器的电路组成 单门限电压比较器电路如图 4-2-5 所示。 图 4-2-5 单门限电压比较器电路 调节电位器 RP， 当 ui <UR 时， uo= +Uom ， 则发光二极管 V2 亮；当 ui >UR 时， uo=-Uom ， 则 V2 不亮。 相关知识 2. 单门限电压比较器的电路组成 图 4-2-6 利用单门限电压比较器实现波形变换 利用单门限电压比较器可以实现波形的变换。 例如， 当单门限电压比较器输入正弦波时， 相应的输出电压是矩形波， 如图 4-2-6 所示。 相关知识 二、 双门限电压比较器 1. 双门限电压比较器的图形符号和工作特性 双门限电压比较器又称为迟滞比较器， 也称为施密特触发器。 它是一个含有正反馈的比较器， 其图形符号和传输特性曲线如图 4-2-7 所示。 相关知识 双门限电压比较器电路如图 4-2-8 所示。 输出电压 uo 经 Rf 和 R1 分压后加到集成运算放大器的同相输入端， 形成正反馈。 由于输出有两种可能的电压值， 因此门限电压也有两个相应的值。当 uo= +Uom 时， 门限电压用 UTH 表示， 根据叠加原理， 可得 2. 双门限电压比较器的电路组成 相关知识 2. 双门限电压比较器的电路组成 图 4-2-7 双门限电压比较器 a) 图形符号 b) 传输特性曲线 相关知识 2. 双门限电压比较器的电路组成 图 4-2-8 双门限电压比较器电路 相关知识 当输入电压逐渐升高至 ui=UTH 时，输出电压 uo 发生翻转， 由+Uom 跳变为-Uom，门限电压随之变为 2. 双门限电压比较器的电路组成 当输入电压逐渐降低至 ui=UTL 时， 输出电压再度翻转， 由-Uom 跳变为+Uom 。两个门限电压之差称为回差电压， 用 ΔU 表示， 可得 上式表明， 回差电压 ΔU 与参考电压 UR 无关。 相关知识 三、 窗口比较器 1. 窗口比较器的工作特性 窗口比较器的传输特性曲线如图 4-2-9 所示。 当输入电压 ui 处于两个参考电压之间， 即UTL <ui<UTH 时， 窗口比较器输出为低电平 (或者负电压)； 当输入电压 ui 不在这两个参考电压之间， 即ui>UTH 或 ui<UTL 时， 窗口比较器输出为高电平。 图 4-2-9 窗口比较器的传输特性曲线 相关知识 窗口比较器电路如图 4-2-10 所示。 图中， 参考电压 UTH >UTL ， UTH 称为上限参考电压或上阈值电压， UTL 称为下限参考电压或下阈值电压。 在电路输出部分， 两个单门限电压比较器分别通过两只二极管 V1、 V2 输出。 若 UTL <ui<UTH ， uo1= uo2= -Uom ， 二极管 V1、 V2 均截止， uo= 0 V。 若 ui<UTL ， 则 uo1= -Uom ， uo2= +Uom ， 二极管 V1 截止， V2 导通， uo= uo2= +Uom 。 若 ui>UTH ， 则 uo1= +Uom ， uo2= -Uom ， 二极管 V2 截止， V1 导通， uo= uo1= +Uom 。 2. 窗口比较器的电路组成及分析 相关知识 2. 窗口比较器的电路组成及分析 图 4-2-10 窗口比较器电路 相关知识 四、 方波发生电路 1. 电路组成 如图 4-2-11a 所示， 方波发生电路由双门限电压比较器和 RC 电路组成。 其中电位器Rf 和电容器 C 组成具有延时特性的反馈电路， 负反馈电压 uc 加至集成运算放大器的反相输入端。 限压电阻器 R3 和双向稳压二极管 VZ 构成稳压电路， 对集成运算放大器的输出电压 uo 起限幅作用， 当集成运算放大器正向饱和输出时， uo=UZ ; 当集成运算放大器负向饱和输出时， uo= -UZ 。 电阻器 R1 和 R2 构成正反馈电路， 将 uo 分压加至集成运算放大器的同相输入端， 因此集成运算放大器的两个门限电压分别为 相关知识 假设 t = 0 时， uc= 0， 且 uo=UZ ， 则门限电压为 UTH ， 此时 uc <UTH ， 确保输出电压 uo=UZ 。 uo 通过电位器 Rf 对电容器 C 充电， uc 逐渐升高， 当 uc >UTH (t = t1 ) 时， 输出电压 uo发生翻转， 由 UZ 跳变为-UZ ， 于是门限电压变为 UTL ， 此时输出电压 uo= -UZ 。 电容器 C 放电， uc 逐渐降低， 当 uc<UTL ( t = t2 ) 时， 输出电压 uo 再次发生翻转， 从-UZ 跳变回 UZ 。如此周而复始， 形成振荡， 波形如图 4-2-11b 所示。 2. 工作原理 图 4-2-11 方波发生电路 a) 电路组成 b) 波形 相关知识 3. 振荡周期计算 方波周期与电容器 C 的充、 放电时间有关， 估算公式为 由上式可知， 改变 Rf、 C 或 R1、 R2， 即可改变方波的周期。 若将电路适当改动， 使电路充电和放电时间常数不相等， 则输出矩形波信号。 谢谢观看 $$