项目4集成运算放大器的分析及应用教学课件 中职 高教版 模拟电子技术基础与仿真（Multisim10）.pptx

项目项目4 4 集成运算放大器的分析集成运算放大器的分析及及应用应用4.14.1任务任务1 1 集成运算放大器的认知集成运算放大器的认知4.1.1 集成运放的组成集成运放的组成1.集成运放的产生集成电路是20世纪60年代初发展起来的一种固体组件。指的是采用半导体平面工艺或薄、厚膜工艺，将电路的有源元器件（二极管、晶体管、场效应管等）、无源元器件（电阻、电容、电感）以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成的个完整的具有一定功能的半导体器件。2.集成运放的发展20世纪60年代初出现的原始型运放，如F001（国外的A702），它的特点是全部由NPN型管组成，制造工艺简单，集成度不高，放大倍数较低。1966年出现的第二代集成运放，如F007（国外A741），它采用了有源器件来代替负载电阻，采用短路保护以防止过流损害，是一种高放大倍数的集成运放。1972年出现的第三代集成运放，如F031（国外AD358），它采用超管作为输入级，并在设计时考虑了热反馈的效应，是一种高精度低漂移的集成运放。1973年出现的第四代集成运放，如国外的HA2900，它将晶体管和MOS管集成在同一硅片上，并采用斩波稳零电路来抑制漂移，是一种漂移极低的集成运放（不用调零）。3.集成运算放大器组成集成运放的内部主要电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分，如图4-1所示。输入级由差动放大电路组成，目的是为了减小放大电路的零漂、提高输入阻抗。中间级通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。一般由共射极放大电路组成。输出级由互补对称功率放大电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。2集成运算放大器的符号集成运放的符号如图4-2所示，有用方框形的，也有用三角形的，本书集成运放的符号采用国标方框形（仿真图形除外）。图中两个输入端，“-”端叫反相输入端，“+”端叫同相输入端。输出端的电压与反相输入端反相，而与同相输入端同相。4.1.2 4.1.2 差动放大差动放大电路电路1.零点漂移零点漂移指的是当放大器的输入端短路时，输出瑞还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离零点上下漂动的现象，简称“零漂”。2差动放大电路1）差动放大电路的基本结构差动放大电路（又称差分放大电路）的基本结构如图4-4所示。可看出，差动放大电路有两个输入端和两个输出端，输出端的电位差为输出信号，是对两个输入信号之差的放大结果，所以叫做差动放大器。2）差动放大电路具有以下特点（1）电路具有对称性，即两个管子的所有参数相同，电子元件的阻值相同。（2）输入信号分为差模输入信号和共模输入信号两部分。差模输入信号是指两输入端的输入信号大小相同，极性相反，即ui1ui2。共模输入信号是指两输入端的输入信号大小相同，极性也相同，即ui1ui2。因为（3）放大器具有两个输出端，放大器的指出信号分为双端输出信号和单端输出信号两种。双端输出信号为两个输出信号之差；单端输出信号以两个输出端之一的输出信号作为输出信号。（4）两个三极管工作在线性区2）差动放大电路抑制零点漂移和共模输入信号3）差动放大电路放大差模输入信号4.1.3集成运算放大器的主要参数（1）开环差模电压增益Aud。它是指运放输入与输出之间未接任何反馈元件，即运放开路情况下的差模电压放大倍数。（2）差模输入电阻rid、输出电阻rod。rid指差模信号作用下集成运放的输入电阻。（3）共模抑制比KCMR。共模抑制比用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，（4）输入失调电压UIO。一个理想的集成运放应实现零输入时输出为零。（5）输入失调电流IIO。一个理想的集成运放的两输入端的静态电流应该完全相等。（6）输入偏置电流IIB。当输入信号为零时，两输入端静态偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，该值越小越好。（7）转换速率SR它是反映运放对于高速变化的输入信号的响应能力。SR越大，说明运放的高频特性越好。4.1.4 集成运放的分析1.集成运放的两种工作状态在电路中，集成运放的工作状态只有两种，即线性工作状态和非线性工作状态。线性工作状态指的是运放电路的输出信号与输入信号成线性关系，而非线性工作状态指的是运放电路的输出信号与输入信号不成线性关系。运放的工作状态取决于外围电路的设计。2.集成运放的传输特性集成运放的传输特性是指描述其输出电压和输入电压之间关系的特性曲线。如图4-5所示，集成运放的传输特性可分为线性区和饱和区（非线性区）。3.理想集成运放在大多数情况下，可以将实际运放看成理想运放，即将运放的各项技术指标理想化。理想集成运放满足下列条件：（1）开环电压放大倍数Aud；（2）开环差模输入电阻rid；（3）开环差模输出电阻ro0；（4）共模抑制比KCRM。（5）失调电压、失调电流及它们的温漂均为0。4.理想集成运放的两个重要结论1）集成运放工作在线性区（1）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的电位相等（虚短）。因为运放工作在线性状态时，其输出电压与输入电压之间满足关系式：u+=u（2）集成运算放大器同相输入端和反相输入端的输入电流等于零（虚断）。由于理想运放的差模输入电阻rid，可知流入两个输入端的电流为零。即2）运放工作在非线性区（1）输入电压u+与u-可以不等，输出电压uo不是正饱和就是负饱和。（2）两个输入端的输入电流为零，即可见，在非线性区，“虚短”的概念不再成立，但“虚断”仍然成立。4.2 4.2 任务任务2 2 集成运算放大器的集成运算放大器的应用应用4.2.1 比例运算放大电路比例运算放大电路1.反相比例运算电路电路如图4-6所示，输入信号ui经电阻R1加到集成运放反相输入端，同相输入端经电阻R2接地，输出电压uo经反馈元件Rf回送到反相输入端，引入了电压并联负反馈，因此该集成运放电路工作在线性区。2同相比例运算电路如图4-7所示，输入信号ui通过外接电阻R2输入送到同相输入端，而反相输入端经电阻R1接地。反馈电阻Rf跨接在输出端和反相输入端之间，形成电压串联负反馈，集成运算放大器工作在线性区。由式可见，uo与ui成正比且同相，故称此电路为同相比例运算电路。也可认为uo与ui之间的比例关系与集成运算放大器本身无关，只取决于电阻，其精度和稳定度非常高。当图中的R1（断开）或Rf0或者两者同时存在时，则Aufuo/ui=1，输出电压与输入电压始终相同，这时电路称为电压跟随器，如图4-8所示。如果同相端接上分压电阻R3，如图4-9所示，则有4.2.24.2.2加减运算加减运算电路电路1.加法运算电路如果在反相比例运算电路的输入端增加若干输入电路，如图4-10所示，则构成反相加法运算电路。2.减法运算电路如果运放的两个输入端都有信号输入，则为差分输入。如图4-12所示。根据叠加原理可知，uo为ui1和ui2分别单独在反相比例运算电路和同相比例运算电路上产生的响应之和，即4.2.3 4.2.3 微分和微分和积分电路积分电路1.微分运算电路在反相比例运算电路中，将反馈电阻R1用电容C代替，就成了微分运算电路，如图4-14所示。2积分运算电路微分与积分互为逆运算，只需将电容C和反馈电阻Rf互易位置即可。如图4-16所示。4.2.4 4.2.4 电压电压比较器比较器 1.简单电压比较器简单电压比较器通常采用开环形式构成，其阈值电压UTH为某一固定值。当输入电压加在运放的同相输入端时称为同相电压比较器；当输入电压加在运放的反相输入端时称为反相电压比较器，如图4-18所示。图中ui为输入电压，UR为基准电压。根据临界条件u+=u_，得阈值电压UTH=UR当uiUR时，u+u_，uo=+UOH当uiUR时，u+u_，uo=UOL由此可以画出其传输特性曲线，如图4-19a所示。若改变基准电压UR的大小，即可改变阈值电压UTH。若UR=0，则UTH=UR=0，此时的比较器称为过零同相电压比较器。同样，为了限制输出电压的最大值，可用双向稳压管来限幅，形成过零限幅比较器。稳压管的接入有两种方法：一是接在运放的输出端，如图4-20（a）所示；二是接在输出和反相输入端之间，如图4-20（b）所示，从而形成过零限幅比较器。4.2.5 4.2.5 滞回滞回比较器比较器滞回电压比较电路是在简单电压比较器的基础上增加了正反馈元件R3。由于集成运放工作于非线性状态，那么它的输出只可能有两种状态：正向饱和电压+Uom和负向饱和电压Uom。由图可知，集成运放的同相端电压u+是由输出电压和参考电压共同作用叠加而成，因此集成运放的同相端电压u+也有两个。由于u0的取值有两种可能（正向最大与反相最大），因此UTH的值也有两种可能1）当输出电压为负最大时，即uO=UOL=-Uom时，可得上阈值:2）当输出电压为正最大时，即uO=UOH=+Uom时，可得下阈值：显然，UTH1UTH2，其中UTH1称上限阈值电压，UTH2称下限阈值电压。由传输特性曲线形状也可看出，曲线在阈值点处形成回环（类似于磁性材料的磁滞回线），因此称这种具有滞后回环特性的比较器为滞回比较器（又称施密特触发器）。滞回比较器有两个阈值，两阈值之差（UTH1UTH2）称为回差电压，用U表示。回差电压是滞回比较器的一个重要参数，回差电压越大，滞回比较器的抗干扰能力越强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个两个阈值UTH1和UTH2的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低电乎之间反复跳变。操作训练操作训练 基本运算放大电路基本运算放大电路功能测试功能测试1.训练目的1）练习集成运算放大器的电路连接。2）研究基本运算放大电路的运算关系。2.仿真测试1）同相比例运算放大电路（1）创建仿真电路打开Multisim10仿真软件，在电路工作区创建如图4-22所示的同相比例运算放大电路，参照图中数据设置电路元器件的参数。（2）打开仿真开关，双击万用表图标，将万用表设置为电压表，读出万用表指示的输入、输出电压数值，如图4-23所示。双击示波器图标，示波器面板上显示的电路输入、输出波形，如图4-24所示。（3）将测试数据与理论数据比较。2）反相比例运算放大电路（1）创建仿真电路打开Multisim10仿真软件，在电路工作区创建如图4-25所示的反相比例运算放大电路，参照图中数据设置电路元器件的参数。（2）打开仿真开关，双击万用表图标，将万用表设置为电压表，读出万用表指示的输入、输出电压数值，如图4-26所示。双击示波器图标，示波器面板上显示的电路输入、输出波形，如图4-27所示。（3）将测试数据与理论数据比较并计算电压放大倍数。3）反相加法运算电路（1）创建仿真电路打开Multisim10仿真软件，在电路工作区创建如图4-28所示的反相加法运算放大电路，参照图中数据设置电路元器件的参数。（2）打开仿真开关，双击万用表图标，将万用表设置为电压表，读出万用表指示的输入、输出电压数值，如图4-29所示。（3）将测试数据与理论数据比较。3.实验测试运算放大电路在实验测试时，需要进行调零，测试电路中接入调零装置。1）反相、同相比例运算电路（1）调零。按图4-30、4-31所示电路接线并接通士12V电源，输入端对地短路，用万用表直流挡（量程要小）测量输出端的电压uo，并调节电位器Rw使uo0为止（万用表的量程要逐渐减至最小）。至此，准备工作已告完毕。（2）输入f=1000Hz，Ui=0.5V的正弦交流信号，测量相应的UO，用双踪示波器同时观察ui、uo波形并计算电压放大倍数，与理想值比较。2）反相加法运算电路（1）按图4-32连接实验电路，进行调零。（2）输入信号采用直流信号，图4-33所示电路为简易直流信号源，由实验者自行完成。实验时要注意选择合适的直流信号幅度以确保集成运放工作在线性区。用直流电压表测量输入电压Ui1、Ui2及输出电压Uo，并计算电压放大倍数，与理想值比较。