電工電子技術(shù)教學

1、6.1 方波信號發(fā)生器的設(shè)計說明 6.2 集成運算放大器基礎(chǔ)知識 6.3 放大器中的負反饋 6.4 集成運放的應用電路 6.5 集成運放的選取和使用 6.6 方波信號發(fā)生器的設(shè)計過程 6.7 拓展實訓,第6章 集成運算放大器,方波信號發(fā)生器的設(shè)計說明,1. 設(shè)計目的 (1) 掌握方波信號發(fā)生器電路的設(shè)計方法及工作原理。 (2) 熟悉集成運算放大器的線性應用及非線性應用。 (3) 初步了解利用集成運放的基本應用電路設(shè)計和分析復雜組合電路的方法。 2. 設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計一個用集成運算放大器構(gòu)成的方波信號發(fā)生器。其指標為：方波幅值為6V，頻率為500 Hz，相對誤差。,定義： 集成運放，是由多級直接耦

2、合放大電路組成的高增益 模擬集成電路。 特點： 增益高，輸入電阻大，輸出電阻低，共模抑制比高， 失調(diào)與漂移小。,結(jié)構(gòu)：由四部分組成，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。,集成運算放大器的結(jié)構(gòu)框圖,集成運算放大器的基本知識,集成運放的符號,集成運算放大器的封裝形式圖,集成運算放大器的符號,集成運放一般采用金屬封裝和雙列直插式塑料封裝 。 它有兩個輸入端和一個輸出端， 標有“-”的輸入端與輸出端成反相關(guān)系，稱為反相輸入端； 標有“+”的輸入端與輸出端成同相關(guān)系，稱為同相輸入端。 一般可將運放簡單地視為具有一個信號輸出端和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元。,反相輸入端,同相輸入

3、端,主要技術(shù)參數(shù),1.開環(huán)差模電壓增益,運放在無外加反饋的情況下的直流差模增益， 其值為輸出電壓與輸入差模電壓之比的對數(shù)的20倍，即,決定運放精度的重要因素，單位為分貝(dB)； 越大，運放性能越穩(wěn)定，精度也越高,2. 輸入失調(diào)電壓,使輸出電壓為零時需要在輸入端所加的補償電壓， 其數(shù)值表征輸入級差分對管失配的程度，在一定程度 上反映了溫漂的大小。,3. 輸入失調(diào)電壓溫漂,表示溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，即,4. 輸入失調(diào)電流 表示當輸出電壓等于零時，兩個輸入端的偏置電流之差，用公式表示為 它用以描述差分對管輸入電流的不對稱情況。一般運放為0.010.1mA，該值越小 越好，高質(zhì)量的低于1

4、nA。 5. 輸入失調(diào)電流溫漂 表示輸入失調(diào)電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量，其值為在規(guī)定工作溫度范圍 內(nèi)，輸入失調(diào)電流的變化量與溫度變化量之比值，用公式表示為 一般運放為每度幾納安，高質(zhì)量的運放只有每度幾皮安。,6. 輸入偏置電流 表示當運算放大器的輸出電壓等于零時，兩輸入端偏置電流的平均值，即 它是衡量差分對管輸入電流絕對值大小的指標，它的值主要取決于集成運放輸入 級的靜態(tài)集電極電流和輸入級放大管的 值。雙極型三極管輸入級的集成運放的輸入 偏置電流為幾十納安至 ；場效應管輸入級的集成運放的輸入偏置電流在1nA以下。 一般 越小，零漂越小。 7. 輸入偏置電流溫漂 表示輸入偏置電流在溫度變化時產(chǎn)

5、生的變化量。其值為輸入偏置電流的變化量 與溫度變化量之比值，用公式表示為 一般每度為幾皮安。,8. 差模輸入電阻 表示差模輸入電壓的變化量與相應的輸入電流變化量之比，用公式表示為 它用來衡量集成運放向信號源索取電流的大小。此值越大，集成運放向信號 源索取電流越小。一般集成運放的差模輸入電阻為幾兆歐，以場效應管作為輸入 級的集成運放 可達 。 9. 輸出阻抗 是指運算放大器工作在線性區(qū)時，輸出端的內(nèi)部等效小信號阻抗。 越小， 帶負載能力越強,1. 電壓傳輸特性,集成運放的基本特性,UOM,UOM,uo= f ( ui ) , 其中 ui = u u ,AO,2. 集成運放的理想特性,理想化的條件

6、：,開環(huán)電壓放大倍數(shù) AO, ;,差模輸入電阻 ri,開環(huán)輸出電阻 rO,共模抑制比 KCMRR, ;,0 ;, ;,u,u,o,u,AO,集成運放的理想電壓傳輸特性,UO+,理想運放,Uo+,U0 -,Uim,Uim,實際運放,UO-,3. 理想運放的分析特點,理想運放,對于理想運放,第5章,+,i-,ui,uO,+,_,i+,當u+ u-時，u0=UO+,ii,uO,+,rid,+,輸出電壓u0只有兩種可能：,當u+ u-時，u0= UO,“虛斷”的條件原則上仍成立， 即,ii 0,“虛短”原則上不成立，即,u+和u-不一定相等！,放大器中的負反饋,反饋是將放大電路的輸出量(電壓或電流)的

7、一部分或全部，通過一定的網(wǎng)絡(luò) 反送到輸入回路，如果引入的反饋信號增強了外加輸入信號的作用，使放大倍數(shù) 增大，則稱為正反饋；反之，如果它削弱了外加輸入信號的作用，使放大電路的 放大倍數(shù)減少，則稱為負反饋。,反饋的類型及判別方法,根據(jù)反饋信號本身的交、直流性質(zhì),直流反饋,交流反饋,根據(jù)反饋信號在放大電路輸出端采樣方式,電壓反饋,電流反饋,負反饋四種組態(tài)性能比較,圖一,圖二,反饋放大電路的工作原理,負反饋放大電路方框圖,放大倍數(shù) 反饋系數(shù) 凈輸入信號 故： 則,反饋放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)，表示引入反饋后，放大電路的輸出信號與外加輸入信號之間的總的放大倍數(shù)； 回路增益，表示反饋放大電路中，信號沿著放大

8、網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的環(huán)路傳遞一周后所得到的放大倍數(shù)； 反饋深度，表示引入反饋后放大電路的放大倍數(shù)與無反饋時相比所變化的倍數(shù)。它表征系統(tǒng)引入負反饋后放大電路各項性能的改善程度。,如果 ，稱為深度負反饋，則,即深度負反饋放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù) 幾乎與放大網(wǎng)絡(luò)的 放大倍數(shù) 無關(guān)，而主要取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù) 。,深度負反饋放大電路的一個突出優(yōu)點就是只要反饋系數(shù)的值 一定，就能 保持閉環(huán)放大倍數(shù) 的穩(wěn)定，避免了影響放大倍數(shù) 的干擾因素對閉環(huán) 放大倍數(shù) 的影響。故實際的反饋網(wǎng)絡(luò)常由電阻等元件組成，反饋系數(shù)取決于 某些電阻值，基本不受溫度等因素的影響。,負反饋對放大器的影響,1. 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性,

9、由反饋放大電路的工作原理可知，,則,式子兩邊同乘以 ，可得,閉環(huán)放大倍數(shù) 的相對變化率 只有開環(huán)放大倍數(shù) 的相對變化 率 的 。由此可見，放大倍數(shù)受外界影響大為減小，放大器的穩(wěn)定性得 到提高。,2. 減小非線性失真,非線性失真：在放大電路的輸出波形中產(chǎn)生了輸入信號原來沒有的諧波成分。 如果正弦波輸入信號經(jīng)過放大后產(chǎn)生的失真波形為正半周大，負半周小，反饋系數(shù)為常數(shù)的情況下，反饋信號也是正半周大，負半周小，則的波形就變成了正半周小，負半周大，這樣把輸出信號的正半周壓縮，負半周擴大，結(jié)果使正負半周的幅度趨于一致，從而改善輸出波形，減小非線性失真。,3. 改變輸入電阻和輸出電阻,輸入電阻的變化取決于輸

10、入端的負反饋方式(串聯(lián)或并聯(lián))，串聯(lián)負反饋使輸入電阻增大，并聯(lián)負反饋使輸入電阻減小。 輸出電阻的變化取決于輸出端反饋方式(電流或電壓)，電流負反饋可以穩(wěn)定輸出電流，即負載電阻變化時，輸出電流基本不變，接近恒流源的特性，考慮到理想電流源的電阻為無窮大，這就意味著放大電路的輸出電阻增大。電壓負反饋可以穩(wěn)定輸出電壓，即負載電阻變化時，輸出電壓基本不變，接近恒壓源的特性，考慮到理想電壓源的電阻為零，這就意味著放大電路的輸出電阻減小。,集成運放的應用電路,比例運算電路,定義：將信號按比例放大的電路稱為比例運算電路。比例電路的輸出電壓和輸入 電壓之間存在比例關(guān)系，即可以實現(xiàn)比例運算。,基本形式：反相比例電

11、路、同相比例電路、差分比例電路,反相比例電路,根據(jù)理想運放工作在線性區(qū)時“虛短”和“虛斷”的特點，可知 ， 。 這說明反相比例運算電路中，集成運放的反相輸入端和同相輸入端兩點的電位相等， 且均等于零，如同這兩點接地一樣，但又不是真正接地，這種現(xiàn)象稱為“虛地”。故,反相比例電路,又 ，則 ，故,電壓放大倍數(shù)為,平衡電阻,結(jié)論：電壓放大倍數(shù)取決于電阻 和 的比值,同相比例電路,定義：如果輸入信號從同相輸入端輸入，而反相輸入端通過電阻接地，則稱為 同相比例電路。,有圖可知,又因為,則,結(jié)論：輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，但相位相同，電路實現(xiàn)了同相比例運算，并電壓放大倍數(shù)取決于電阻 和 的比值。,電

12、壓跟隨器： 電路的輸出電壓與輸入電壓不僅幅值相等，而且相位相同，兩者之間具有一種跟隨關(guān)系。 即當 或 時，電壓放大倍數(shù)等于 1。,差分比例電路,由圖可知,利用疊加原理求得反相輸入端的電位,同相輸入端的電位為,又因為,則,反相加法運算電路,根據(jù)運放反相輸入端“虛地”可知，,同相加法運算電路,根據(jù)運放同相“虛斷”和疊加原理可得,結(jié)論：電路的輸出電壓等于兩個輸入電壓之和。,當 時,【例6-3】電路如圖所示 ， ， ， ， ， 求 和 。,解：電路由兩級集成運放組成，第一級為反相比例運算電路,第二級為加法運算電路,積分運算電路,特點：它和反相比例運算電路的差別是用電容代替了電阻 。 為使得直流電阻平衡

13、，要求,電容兩端的電壓與流過電容的電流之間存在積分關(guān)系即,根據(jù)理想運放“虛短”和“虛斷”的概念可知， ， ，則,結(jié)論：輸出電壓與輸入電壓是積分的關(guān)系，相位上相反。,積分時間常數(shù),當輸入電壓 為階躍電壓時，電容以近似恒流方式進行充電，則輸出電壓與時間成線性關(guān)系；當電容充電到運放反向電壓最大值 時，電路進入非線性狀態(tài)，或者積分時間已到，則積分停止，積分波形分別如圖中的線2和線1所示。 結(jié)論：輸入階躍信號時，積分電路可以產(chǎn)生斜坡信號，利用這個原理也可以將方波信號轉(zhuǎn)換為三角波信號。,【例6-4】給定電容 ，試設(shè)計并實現(xiàn) 的運算電路。,解： 本題要求實現(xiàn)的運算包括積分運算和反相加法運算，因此設(shè)計電路圖如

14、圖所示。,根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念可知,與要求實現(xiàn)的 比較得,又因為，則可得 ， 。 根據(jù)運放輸入端對地的直流電阻平衡要求，則可得,微分運算電路,微分是積分的逆運算，將積分運算電路中電容和電阻的位置互換，即可組成 基本微分運算電路，如圖所示。根據(jù)理想運放“虛短”和“虛斷”的概念可 ， ，則,結(jié)論：電路的輸出電壓與輸入電壓是微分的關(guān)系，且相位相反。,電壓比較器,常見的電壓比較器有單限比較器、滯回比較器和雙限比較器。,單限比較器,只有一個閾值電壓 ； 它有同相輸入和反相輸入兩種形式； 輸入電壓 加在集成運放的反相輸入端， 作為閾值電壓加在同相輸入端， 則,(高電平) (低電平),原理：,一般單

15、限比較器電路,根據(jù)疊加原理，可求得集成運放反相輸入端電位為,優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高， 缺點：抗干擾能力差，輸入電壓因干擾在閾值附近發(fā)生微小變化時，輸出電壓會頻繁地跳變。,滯回比較器,（1）若 ，輸入電壓從零增加的過程中，經(jīng)過 時輸出電壓不變，只有經(jīng)過 時輸出電壓才產(chǎn)生躍變； （2）反之，輸入電壓減小的過程中，經(jīng)過 時輸出電壓不變，只有經(jīng)過 時輸出電壓才產(chǎn)生躍變。通常選取 。 結(jié)論：輸入電壓增加到一個較大的閾值或減小到一個較小的閾值時才產(chǎn)生躍變。 看成兩個不同的單限比較器的組合 它有同相和反相輸入兩種形式。,雙限比較器,（1）若 ，輸入電壓從零增加的過程中，經(jīng)過 時輸出電壓產(chǎn)生一次躍變，繼續(xù)增

16、大到 時，產(chǎn)生一次反方向的躍變； （2）輸入電壓減小的過程中，經(jīng)過 時輸出電壓產(chǎn)生一次躍變，繼續(xù)減小到 時再產(chǎn)生一次反方向的躍變。 雙限比較器與前兩種比較 器的區(qū)別： 在輸入電壓單向變化時，輸出電壓躍變兩次。,集成運放的選取和使用,集成運放的選取,在沒有特殊要求的場合，盡量選用通用型集成運放，這樣既可降低成本，又能 保證貨源。當一個系統(tǒng)中使用多個運放時，盡可能選用多運放集成電路，例如LM324、 LF347等都是將四個運放封裝在一起的集成電路。,評價集成運放性能的優(yōu)劣，應看其綜合性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來衡量集成運放 的優(yōu)良程度，其定義為,對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，選轉(zhuǎn)換速率大的運放比

17、較合適；對于處 理微弱的直流信號的電路，選用精度比較高的運放比較合適(即失調(diào)電流、失調(diào)電壓 及溫漂均比較小)。 實際選擇集成運放時，除要考慮優(yōu)值系數(shù)外，還應考慮其他因素。例如，信號 源的性質(zhì)是電壓源還是電流源，負載的性質(zhì)，集成運放輸出電壓和電流是否滿足環(huán) 境條件，集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素的要求。,集成運算放大器的使用要點,集成運放的電源供給方式,集成運放有兩個電源接線端 和 ，但有不同的電源供給方式。不同 的電源供給方式對輸入信號的要求是不同的。,1.對稱雙電源供電方式,運算放大器多采用對稱雙電源方式供電，相對于公共端(地)的正極與負極分別接 于運放的 和 管腳上。

18、在這種方式下，可把信號源直接接到運放的輸入 腳上，而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。,2.單電源供電方式,單電源供電是將運放的 管腳連接到地上。此時為了保證運放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點，在運放輸入端一定要加入一個直流電位 ，如圖所示 。 分別加在集成運放的同相輸入端和反相輸入端。 此時運放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號變化。 靜態(tài)時，運算放大器的輸出電壓近似為 ，同時為了隔離掉輸出中的直流成分而接入電容 。,(a) VI加在反向輸入端 (b) VI加在同向輸入端,集成運放的調(diào)零問題,當運算放大器組成的線性電路輸 入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度，要求對

19、失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進行補償。 常用的調(diào)零方法： 內(nèi)部調(diào)零法 外部調(diào)零法,集成運放的自激振蕩問題,運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，在接成深度負反饋條件下，很 容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定地工作，就需外加一定的頻率補償網(wǎng)絡(luò)，以 消除自激振蕩。,另外，防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是：在集成運放的 正、負供電電源的輸入端對地一定要分別加入一個電解電容和一個高頻濾波電容。,集成運放的保護問題,集成運放的安全保護有三個方面：電源保護、輸入保護和輸出保護。,1.電源保護,電源的常見故障是電源極性接反和電壓跳變。 對于性能 較差的電源，在電源接通和斷開的瞬間，往往出現(xiàn)電

20、壓過沖。,2.輸入保護,若集成運放的輸入差模電壓過高或者輸入共模電壓過高(超出該集成運放的極 限參數(shù)范圍)，集成運放也會損壞。下圖所示是典型的輸入保護電路。,3.輸出保護,當集成運放過載或輸出端短路時，若沒有保護電路，該運放就會損壞。但有些 集成運放內(nèi)部設(shè)置了限流保護或短路保護，使用這些器件就不需再加輸出保護。對于 內(nèi)部沒有限流或短路保護的集成運放，可以采用圖所示的輸出保護電路，其中電阻R 起到限流保護的作用。,方波信號發(fā)生器的設(shè)計過程,1. 電路原理說明,滯回比較器的上下門限電壓分別為,由上述內(nèi)容可知，其上下門限電壓的絕對值相等。同時，電容C和電阻RF形成 一個負反饋通道，電容C根據(jù) 的高低

21、電平進行充電或放電，當 時， 電容上的電 壓 按指數(shù)增加，電容充電；當 或者 時，電路 產(chǎn)生一次翻轉(zhuǎn)；當 時，電路輸出 保持恒值。,2. 運放的選擇,由于方波的前后沿與比較器所用運放的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，而且所要求方波 頻率為，前后沿時間較短，且誤差不超過5%，故選用精度較大的高速運放， 如BG307。,3. 穩(wěn)壓管的選擇,穩(wěn)壓管的作用是限制和確定方波的幅值，改變穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓即可改變輸出 方波的振幅。此外，方波振幅和寬度的對稱性也與穩(wěn)壓管的對稱性有關(guān)。為了得到穩(wěn)定 而對稱的方波輸出，通常選用高精度雙向穩(wěn)壓二極管，如2DW7型，穩(wěn)壓值為，是穩(wěn)壓 管的限流電阻，具體值由所用穩(wěn)壓管確定。,4. 積分器

22、元件R、C的確定,R、C的值與方波的頻率有關(guān)，可先選擇一個合適的電容 C，再根據(jù)方波的 頻率選擇電阻。 5. 電路的調(diào)試,用示波器分別測量方波的輸出電壓幅值和振蕩頻率，如果不符合設(shè)計要求，可 適當改變反饋電阻。,拓 展 實 訓,三角波信號發(fā)生器的設(shè)計,1. 實訓目的 (1)掌握三角波信號發(fā)生器的設(shè)計方法及工作原理。 (2)了解集成運算放大器的波形變換及非線性應用。 2. 實訓設(shè)備與器材 直流穩(wěn)壓電源()1臺，741集成運放2個，2DW7雙向穩(wěn)壓管1只，電阻若干，電容1只， 電位器1只。 3. 實訓內(nèi)容 設(shè)計一個用集成運算放大器構(gòu)成的三角波信號發(fā)生器。指標為：三角波頻率為，相對 誤差，幅度為 。

23、,具體計算公式如下。 電路振蕩頻率： 。 方波幅值： 。 三角波幅值： 。,1)選擇集成運算放大器 由于方波的前后沿與用作開關(guān)器件的A1的轉(zhuǎn)換速率SR有關(guān)，因此當輸出方波的 重復頻率較高時，集成運算放大器A1應選用高速運算放大器，一般要求時選用通用 型運算放大器即可。集成運算放大器A2的選擇原則是：為了減小積分誤差，應選用 輸入失調(diào)參數(shù)小、開環(huán)增益高、輸入電阻高、開環(huán)帶寬較寬的運算放大器。 2) 選擇穩(wěn)壓管,3)確定正反饋回路電阻和 和的比值決定了運算放大器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)電平，也就是決定了三角波的輸出幅度。 因此，根據(jù)設(shè)計要求的三角波輸出幅度可以確定和的阻值。 4)確定積分時間常數(shù) 積分元件的參數(shù)

24、值應根據(jù)三角波所要求的重復頻率來確定，當正反饋回路電阻 和確定之后，再選取電容C值，然后再由頻率計算R。,集成差分放大電路的設(shè)計,1. 實訓目的 (1)掌握利用集成運算放大器設(shè)計差分電路的方法及其工作原理。 (2)了解集成運算放大器的使用方法。 2. 實訓電路及其工作原理 1)雙運放差分放大電路,2)電路工作原理 差分輸入信號從兩個放大器的同相端輸入，可以有效地消除兩輸入端的共模分量， 獲得很高的共模抑制比和極高的輸入電阻。該放大電路的輸出電壓(不考慮可調(diào)電阻)為,顯然，若滿足的匹配條件，上式第一項為零，即共模輸出電壓，則由上式可知， 閉環(huán)差模電壓增益為,因此該電路有較高的差模電壓增益且能提供

25、有效的共模抑制能力，并聯(lián)在反饋 回路中的可調(diào)電阻能調(diào)節(jié)增益而不影響共模抑制比。 3. 實訓內(nèi)容,已知輸入信號源內(nèi)阻，負載電阻，共模電壓輸入范圍，電源電壓(或)，(或)，試設(shè)計 一個由集成運算放大器組成的差分放大電路，要求該電路滿足下列技術(shù)指標。 差模電壓增益；差模輸入阻抗；共模抑制比。 (1)根據(jù)已知條件和設(shè)計要求，選定電路方案(以圖所示的參考電路為例)，計算 和選取元件參數(shù)，并在實驗電路板上組裝所設(shè)計的電路，檢查無誤后接通電源，進行 靜態(tài)調(diào)試調(diào)零和消除自激振蕩。 (2)測量放大電路的主要性能指標如下。 測量差模電壓增益 。在兩輸入端加差模輸入電壓 ，輸入頻率為 ， 有效值為200mV的正弦信

26、號，測量輸出電壓 ，觀測輸出電壓 與輸入電壓的波形，并 記錄它們幅值和相位的關(guān)系，算出差模電壓增益， 并與理論值比較。 測量共模電壓增益 。將輸入端 并接，加共模輸入電壓 ，輸入頻率 為 ，有效 值為 的 正弦信號， 測量輸出電壓 ，計算 。,4. 實訓總結(jié) (1)雙端輸入、雙端輸出及共模輸入時，設(shè)計電路的輸入端與信號源的輸出端 應如何連接？畫圖說明。 (2)測量差模電壓增益與共模電壓增益應選用什么測量儀器(如示波器、交流毫伏表)？為什么？ (3)差分放大電路調(diào)零時，為什么要把輸入端接地？怎樣用示波器進行零點檢測？,本 章 小 結(jié) (1)集成運放實質(zhì)上是一個高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路，它通常由偏置電路、輸入級、中間級和輸出級組成。 (2)集成運放的電壓傳輸特性分為線性區(qū)和非線性區(qū)。當集成運放工作在線性區(qū)時，多處于負反饋工作狀態(tài)，具有“虛短”和“虛斷”兩個重要特點，它是分析許多運算應用電