城市軌道交通電工電子技術(shù) 第2版 課件 項(xiàng)目七 集成運(yùn)算放大器

項(xiàng)目七

集成運(yùn)算放大電路課題一集成運(yùn)算放大器概述學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知識目標(biāo)：（1）掌握負(fù)反饋放大電路的概念、分類和作用；（2）了解集成運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及主要參數(shù)；（3）掌握理想運(yùn)算放大器的分析方法；（4）熟知集成運(yùn)算放大器在線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用中的典型電路。2.能力目標(biāo)：（1）了解負(fù)反饋的概念；（2）掌握理想運(yùn)算放大器的基本分析方法；（3）掌握集成運(yùn)算放大器主要線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用電路。3.情感目標(biāo)（1）培養(yǎng)“安全第一、預(yù)防為主”的工作意識和作風(fēng)。（2）培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)習(xí)慣。（3）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。學(xué)習(xí)導(dǎo)入集成電路是將大量的各種單個(gè)元器件（二極管、三極管、晶體管、場效應(yīng)管等）和它們之間的連接導(dǎo)線同時(shí)制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，組成一個(gè)整體，再加上外殼封裝引腳便成了高密度的固體電路，稱為集成電路。與分立元件電路相比集成電路的優(yōu)點(diǎn)甚多，在科學(xué)技術(shù)上意義重大。用集成電路制造的電子產(chǎn)品，體積更小，重量更輕，功能更強(qiáng)，精度更高，工作更可靠，使用更方便，價(jià)格更便宜。集成電路的出現(xiàn)，開辟了微電子技術(shù)時(shí)代，并促進(jìn)了許多學(xué)科和領(lǐng)域的發(fā)展。就集成電路的類型而言，集成電路有模擬集成電路和數(shù)字集成電路之分。一、集成運(yùn)算放大器組成和主要參數(shù)集成運(yùn)放的電路可分為輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個(gè)基本組成部分。

1）輸入級輸入級是提高運(yùn)算放大器質(zhì)量的關(guān)鍵部分，要求其輸入電阻高，能減小零點(diǎn)漂移和抑制共模干擾信號，因此，輸入級都采用具有恒流源的差動放大電路。它具有同相和反相兩個(gè)輸入端。2）中間級集成運(yùn)放的總增益主要由中間級提供，要求中間級有較高的電壓放大倍數(shù)，因此，中間級一般采用帶有恒流源負(fù)載的共射放大電路，其放大倍數(shù)可達(dá)幾千倍以上。3）輸出級輸出級與負(fù)載相接，要求其輸出電阻低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，能輸出足夠大的電壓和電流，因此，輸出級一般采用互補(bǔ)對稱電路或射極輸出器。

4）偏置電路偏置電路為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點(diǎn)，各種恒流源電路組成。1．最大差模輸入電壓2．最大共模輸入電壓3．開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud

4．輸入失調(diào)電壓Uos

5．輸入失調(diào)電流Ios

6．輸入偏置電流IB

7．共模抑制比KCMRR

8．差模輸入電阻rid

9．輸出電阻rO

二、集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud→∞。（2）差模輸入電阻Rid→∞。（3）輸出電阻RO→0。（4）共模抑制比KCMRR→∞。（5）輸入偏置電流IBI＝IB2＝0。（6）失調(diào)電壓，失調(diào)電流及溫漂為零。

三、集成運(yùn)算放大器的理想模型

根據(jù)集成運(yùn)放自身所處的工作狀態(tài)，運(yùn)放應(yīng)用電路分：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。u+-u--Uom+Uomuo正飽和區(qū)負(fù)飽和區(qū)線性區(qū)線性區(qū)0運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性++∞uou–u+i+i––

理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)因?yàn)閡o

=

Auo(u+–u–

)所以(1)差模輸入電壓約等于0

即u+=u–

,稱“虛短”(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

++∞uou–u+i+i––

（a）圓形封裝(b)雙列直插型(c)偏平形(d)單列直插型圖7-4集成電路的部分封裝結(jié)構(gòu)形式四、集成電路及其制造工藝五、集成電路的分類集成電路的種類很多，若按其功能不同可分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類。數(shù)字集成電路是用來產(chǎn)生和處理各種數(shù)字信號的集成電路，除了數(shù)字集成電路以外的電路統(tǒng)稱為模擬集成電路，它是用來產(chǎn)生、放大、處理各種模擬信號或進(jìn)行模擬信號單片集成電路和混合集成電路。按照制造工藝不同，模擬集成電路可分為方法制成電阻、電容后，再將單片集成的晶體管、二極管芯片焊接在上面二混合構(gòu)成的。因此，混合集成電路具有分立電路的形式，電路結(jié)構(gòu)靈活性較大，但制作工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。按用途不同，集成電路可分為通用型集成電路和專用型(也稱特殊型)集成電路。通用型集成電路一般有多種用途，如集成運(yùn)算放大電器；專用型集成電路有其特定用途，如電視接收機(jī)、手機(jī)、電子表等使用的專用集成電路。按工作狀態(tài)不同，模擬集成電路分為線性集成電路和非線性集成電路。線性集成電路是指輸出信號與輸入信號呈線性關(guān)系的電路，一般用作放大器；非線性集成電路是指輸出信號與輸入信號呈非線性關(guān)系的電路，一般用作信號間的變換。按有源器件導(dǎo)電機(jī)理不同，模擬集成電路可分為雙極型、單極型和雙一單極混合型集成電路。雙極型集成電路由雙極型晶體管(電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電，簡稱BIJT)組成，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是工作速度快、頻率高、信號傳輸延遲時(shí)間短，但制造工藝較復(fù)雜。單極型集成電路由場效應(yīng)管(只有電子或空穴一種載流子參與導(dǎo)電，簡稱FET)組成，其優(yōu)點(diǎn)是電路輸入阻抗高、功耗小、工藝簡單、集成度高、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，但它們的傳輸延遲時(shí)間長、工作速度低、負(fù)載驅(qū)動能力也較小，多為雙一單極混合型。集成電路采用MOS和兼容工藝制成，因而電路兼有雙極型和單極型的優(yōu)點(diǎn)。六、模擬集成電路的特點(diǎn)模擬集成電路的一些特點(diǎn)與其制造工藝是緊密相關(guān)的，其主要特征可歸結(jié)如下：（1）級間采用直接耦合方式。（2）用有源器件代替無源元件。（3）外接少量分立元件。（4）采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路。（5）電路中的二極管常用BJT的發(fā)射結(jié)構(gòu)成，多用作溫度補(bǔ)償元件或電位移動電路。（3）電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)具有良好的對稱性。謝謝觀賞！項(xiàng)目七

集成運(yùn)算放大電路課題二放大電路的負(fù)反饋學(xué)習(xí)導(dǎo)入將放大器輸出信號電壓或電流的一部分或全部經(jīng)過一定的方式送回到輸入回路，與原來的輸入信號相作用，產(chǎn)生影響，這樣的作用過程稱為反饋。一、負(fù)反饋的基本概念1.什么是負(fù)反饋將放大電路（或電路系統(tǒng)）輸出端信號（電壓或電流）的一部分（或全部）通過某種電路（該電路稱為反饋電路）引回至輸入端，稱為反饋。引入反饋的放大電路稱為閉環(huán)放大電路，如圖7-5（a）所示。

（a）開環(huán)方塊圖（b）閉環(huán)方塊圖圖7-5開環(huán)和閉環(huán)放大電路方塊圖

2.正反饋和負(fù)反饋2.正反饋與負(fù)反饋引回的反饋信號使放大電路的凈輸入信號減弱，稱之為負(fù)反饋，如圖7-6所示。反之，使凈輸入信號增強(qiáng)，稱之為正反饋，如圖7-7所示。

圖7-6負(fù)反饋圖7-7正反饋3.電壓反饋和電流反饋 在放大電路的輸出端，有兩個(gè)物理量可供反饋：輸出電壓和輸出電流電壓反饋：反饋信號XF取自uo并與之成正比。電流反饋：反饋信號XF取自io并與之成正比。4.串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

在放大電路的輸入端，輸入電路和反饋電路可以有兩種連接方式：串聯(lián)和并聯(lián)。由以上可以看出，放大電路由四種類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋，電壓并聯(lián)負(fù)反饋，電流串聯(lián)負(fù)反饋，電流并聯(lián)負(fù)反饋。圖7-8負(fù)反饋的四種組態(tài)

(a)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路；(b)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路；(c)電流串聯(lián)負(fù)反饋電路；(d)電流并聯(lián)負(fù)反饋電路二、反饋的判別

（a）無反饋

（b）有反饋

（c）無反饋圖7-9是否有反饋電路1.有無反饋的判別

在圖7-9（a）、（b）和（c）所示電路中，第一個(gè)電路只有信號的正向傳遞，沒有反向的回饋，所以是無反饋電路。第二個(gè)電路有信號的正向傳遞，還有信號的回饋（通過RF），在運(yùn)放的輸入端與輸入信號進(jìn)行比較，為有反饋的電路。第三個(gè)電路有信號的正向傳遞，反饋電阻RF的左端接地，反饋回來的信號為零，為無反饋電路。2.反饋類型的判別

反饋類型的判別包括三個(gè)內(nèi)容：（1）正反饋和負(fù)反饋的判別；（2）電壓反饋和電流反饋的判別；（3）串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋的判別。【例7-1】判別圖7-10（a）所示電路中的反饋類型

（a）同相比例運(yùn)算電路

（b）瞬時(shí)極性法

（c）反饋信號與輸入信號串聯(lián)圖7-10反饋類型判斷例題（b）瞬時(shí)極性法（c）反饋信號與輸入信號串聯(lián)圖7-10反饋類型判斷例題三、負(fù)反饋對放大器性能的影響1.降低了放大倍數(shù)3.減小非線性失真2.提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性4.改變輸入、輸出電阻謝謝觀賞！項(xiàng)目七

集成運(yùn)算放大電路課題二放大電路的負(fù)反饋學(xué)習(xí)導(dǎo)入

集成運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的基本運(yùn)算有比例、加、減、積分和微分等運(yùn)算，其實(shí)質(zhì)是集成運(yùn)放的線性應(yīng)用。集成運(yùn)放必須工作在線性范圍內(nèi)，才能保證輸出與輸入間具有一定的函數(shù)關(guān)系；同時(shí)由于開環(huán)電壓增益很高，必須引入深度負(fù)反饋，才能利用不同的反饋電路實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字運(yùn)算。因此在分析這些電路時(shí)，一方面要注意輸入方式，判別反饋類型；另一方面，要正確利用虛短、虛斷的特征，使分析簡化。一、比例運(yùn)算放大電路1.反相比例放大電路輸入信號從反相輸入端輸入時(shí)，輸出信號與輸入信號相位相反，這樣的集成運(yùn)放電路為反相比例運(yùn)算電路。如圖7-12所示，同相輸入端通過電阻接地，輸入信號經(jīng)電阻送到反相輸入端，反饋電阻跨接在輸出端和反相輸入端之間。（1）電路組成

以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。（2）電壓放大倍數(shù)因虛短,

所以u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

所以i1

if

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–

對地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RF一、比例運(yùn)算放大電路1.反相比例放大電路一、比例運(yùn)算放大電路1.同相比例放大電路于是

,,整理得

根據(jù)集成運(yùn)放的“虛斷”和“虛短”可知而

,,靜態(tài)平衡電阻為

圖7-15例7-2圖1.反相加法運(yùn)算電路二、加法運(yùn)算電路根據(jù)集成運(yùn)放的“虛斷”和“虛短”，因?yàn)?/p>

即

整理得

靜態(tài)平衡電阻2.同相加法運(yùn)算電路三、減法運(yùn)算電路當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：_++

CR1R2UiUoIiIf+_+_UC四、積分運(yùn)算電路_++

CRfR2UiUoIiIf+_IC由虛短及虛斷性質(zhì)可得

Ic=If五、微分運(yùn)算電路謝謝觀賞！項(xiàng)目七

集成運(yùn)算放大電路課題一集成運(yùn)算放大器電路的非線性應(yīng)用學(xué)習(xí)導(dǎo)入集成運(yùn)放工作在開環(huán)或引入正反饋時(shí)，其輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系是非線的。分析集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用時(shí)，虛短和虛斷不再適用。集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用也十分廣泛，本節(jié)只介紹其在電壓比較器中的應(yīng)用電壓比較器是指將一個(gè)模擬量電壓信號和一個(gè)參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平的電路。一、過零比較器電壓比較器是指將一個(gè)模擬量電壓信號和一個(gè)參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平的電路。圖7-22過零比較器圖7-23有限幅的過零比較器有時(shí)為了將輸出電壓限制在某一特定值，以與接在輸出端的數(shù)字電路電平配合在比較器的輸出端與“地”之間跨接一個(gè)雙向穩(wěn)壓管VDz，作雙向限幅用。其電路和傳輸特性如圖7-23所示。圖7-24任意電平電壓比較器當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，前面介紹的比較器雖然結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差，當(dāng)輸入電壓在門限電壓附近稍有波動時(shí)，就會使輸出電壓誤動，形成干擾信號。采用滯回比較器可以解決這個(gè)問題。二、滯回比較器二、滯回比較器圖7-25滯回比較器從集成運(yùn)放電路的輸出端引出一個(gè)反饋電阻到同相輸入端，形成正反饋，就構(gòu)成了滯回比較器，如圖7-25(a)所示。謝謝觀賞！項(xiàng)目七

集成運(yùn)算放大電路項(xiàng)目實(shí)施集成運(yùn)算放大電路的線性應(yīng)用驗(yàn)證1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解集成運(yùn)算放大器線性應(yīng)用電路的特點(diǎn)。（2）掌握集成運(yùn)算放大器基本線性應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)方法。（3）了解限幅放大器的轉(zhuǎn)移特性以及轉(zhuǎn)移特性曲線的繪制方法。2．實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備（1）直流穩(wěn)壓電源（HT-1712F）1臺。（2）函數(shù)信號發(fā)生器（YB1602）1臺。（3）示波器（SR-071B）1臺。 （4）交流毫伏表（SX-2172）1臺。（5）集成運(yùn)放塊：μA741（LM741）2個(gè)。3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）反相比例運(yùn)算放大器（1）調(diào)整穩(wěn)壓電源，使其輸出±15V，接在LM324的4腳和11