2集成运放及其基本应用学习教案

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1、会计学12集成运放及其基本应用集成运放及其基本应用1.1.日常生活中的放大现象：日常生活中的放大现象：放大放大镜镜杠杆杠杆变压器变压器2.1 放大的概念和放大电路主要性能指标第1页/共40页u放大的对象：变化量u放大的本质：能量的控制u放大的特征：功率放大u放大的基本要求：不失真放大的前提判断电路能否放大的基本出发点VCC至少一路直流电源供电2.放大的内涵第2页/共40页ioUUAAuuuioIIAAiiiioIUAuiioUIAiu电压放大倍数是最常被研究和测试的参数电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流第3页/共40页 将输出等效成有内阻的电压

2、源，内阻就是输出电阻。LooLoooo) 1(RUURUUUR空载时输出电压有效值带RL时的输出电压有效值iiiIUR 输入电压与输入电流有效值之比。从输入端看进去的等效电阻第4页/共40页4. 最大不失真输出电压Uom：交流有效值。下限频率上限频率LHbwfff5. 最大输出功率Pom和效率：功率放大电路的参数第5页/共40页一、差分放大电路的概念一、差分放大电路的概念二、集成运放的符号及电压传输特性二、集成运放的符号及电压传输特性三、理想运放及其动态等效电路三、理想运放及其动态等效电路第6页/共40页1. 需求热电阻热电阻测温测温电桥电桥环境温度变化阻值变化环境温度变化阻值变化 某一标准温

3、度下某一标准温度下 uI1uIVCC/ 2 uIuI1uI0。RRRRt+VCCuIuI1uI2 需要一种放大电路，对需要一种放大电路，对uI1和和uI共同的部分不放大，仅对它们的共同的部分不放大，仅对它们的差值放大。差值放大。 温度变化（即偏离标准温度）时温度变化（即偏离标准温度）时，产生，产生uI，这是放大的对象。，这是放大的对象。 差分放大电路差分放大电路第7页/共40页3. 3. 典型差分放大电路方框图典型差分放大电路方框图差分放大电路差分放大电路uI1uI2uO1uO2 典型差分电路为典型差分电路为双端输入、双端输入、双端输出双端输出接法。接法。第8页/共40页差分放大电路差分放大电

4、路uI1uI2uO1uO2uI 输入回路和输出回路对称，故回路的中点电位不变，即动态输入回路和输出回路对称，故回路的中点电位不变，即动态电位为电位为0，即为，即为“地地”。RL（2 2）加共模信号时）加共模信号时差分差分放大电路放大电路uORLuIc温度变化所引起晶体管参数温度变化所引起晶体管参数的变化可等效为共模信号输的变化可等效为共模信号输入。入。uI/2第9页/共40页差模放大倍数差模放大倍数IdOdduuAIcOccuuA共模放大倍数共模放大倍数cdCMRAAK共模抑制比共模抑制比越大越好越大越好绝对值绝对值越小越好越小越好绝对值绝对值越大越好越大越好 为综合考察差分放大电路放大差模信

5、号和抑制共模信为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入参数号的能力，引入参数共模抑制比。共模抑制比。第10页/共40页差分差分放大电路放大电路uIduORL双入双出、双入单出、单入双出和单入单出。双入双出、双入单出、单入双出和单入单出。双端输入、单端输出电路：双端输入、单端输出电路：集成运放等效为高性能双入单出差分放大电路。集成运放等效为高性能双入单出差分放大电路。第11页/共40页1. 符号极性相同极性相同极性相同极性相同第12页/共40页)(NPodOuuAu)()(NPIOuufufu线性区线性区开环差模增益开环差模增益高达几十万倍高达几十万倍非线性区非线性区输出不是

6、高电平输出不是高电平+UOM就是低电平就是低电平-UOM 若若UOM= 14V，Aod=105，则为保证集成运放工作在线性区输入信，则为保证集成运放工作在线性区输入信号的范围为多少？号的范围为多少？UOM的值决定的值决定于什么？于什么？第13页/共40页理想运放的参数特点：理想运放的参数特点：差模输入电阻差模输入电阻rid为为输出电阻输出电阻ro为为0开环差模增益开环差模增益Aod为为共模抑制比共模抑制比KCMR为为频带无限宽、温度对参数无影响。频带无限宽、温度对参数无影响。第14页/共40页一、一、概述概述二、比例运算电路二、比例运算电路三、加减运算电路三、加减运算电路四、积分运算电路和微分

7、运算电路四、积分运算电路和微分运算电路第15页/共40页)(NPodOuuAu理想运放的线性工作区域的特点：有限值有限值无穷大无穷大无穷小无穷小为保证理想运放工作在线为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。性区，必须引入负反馈。无源网无源网络络反馈反馈：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。来影响输入量，称为反馈。正、负反馈正、负反馈：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为

8、负反馈。uO uN uO （1 1）电路结构）电路结构第16页/共40页uO为有限值，为有限值，Aod，则净输入电压，则净输入电压uPuN0，即，即因输入电阻无穷大，则两输入端输入电流均为零，即因输入电阻无穷大，则两输入端输入电流均为零，即uPuN虚短路虚短路iPiN0虚断路虚断路 “虚短虚短”和和“虚断虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的两个基本出发点。用电路的两个基本出发点。第17页/共40页1)电路的输入电阻为多少？电路的输入电阻为多少？2) R？为什么？为什么？+_iN=iP=0，uN=uP=0虚地虚地在节点在节点N：RuiiRIFIffFOu

9、RRRiu1. 反相输入R=RRf保证输入级的对称性保证输入级的对称性Au第18页/共40页IPNuuu运算关系的分析方法：节点电流法运算关系的分析方法：节点电流法RuiiiiRRIPNf , 0)(fORRiuRIfNfO)1 ()1 (uRRuRRuAu第19页/共40页IPNOuuuu第20页/共40页3I32I211I321FPN 0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu1. 反相求和第21页/共40页ff3I32I211IPfPfO)()1 (RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu与反相求和运算电路的与反相

10、求和运算电路的结果差一负号结果差一负号4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)( )(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu第22页/共40页)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu设设 R1 R2 Rf R3 R4 R5)(I1I2fOuuRRu若若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?实现了差分实现了差分放大电路放大电路第23页/共40页RuiiRCI)(d11O IO21tutuRCutttuRCud1IO)()(1 1O12IO21ItuttuRCuttu为常量

11、，则在若tRuCuud1ICO1. 积分运算电路第24页/共40页移相移相1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶跃信号时的输出电压波形？2) 输入为方波时的输出电压波形？输入为方波时的输出电压波形？3) 输入为正弦波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？线性积分，延线性积分，延时时波形变换波形变换第25页/共40页tuRCRiutuCiiRCRddddIOI虚地虚地第26页/共40页第27页/共40页一、概述一、概述二、单限比较器二、单限比较器三、滞回比较器三、滞回比较器第28页/共40页1.电压比较器的功能比较电压的大小。比较电压的大小。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压

12、。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。2. 电压比较器的描述方法 电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三要素：电压传输特性的三要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向第29页/共40页（1）单限比较器：只有一个阈值电压）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性）滞回比较器：具有滞回

13、特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。变化使输出电压只跃变一次。T2T1UUU回差电压：回差电压：第30页/共40页电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：1) 净输入电流为净输入电流为02) uP uN时，时， uOUOM uP 0 时时 uO UOM; uI 0 时时 uO UOM 1. 过零比较器2. 2. 一般单限比较器一般单限比较器，得令0PNI211REF212NuuuRRRURRR

14、uREF12TURRUOMOUU第32页/共40页（1）若要）若要UT 0，则应如何修改电路？，则应如何修改电路？（2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？（3）若要改变）若要改变UOL、UOH呢？呢？REF12TURRUOMOUU0REFU第33页/共40页（1 1）写出写出 uP、uN的表达式，令的表达式，令uP uN，求解出的，求解出的 uI即为即为UT；（2 2）根据输出电压幅值或输出端限幅电路决定输出高、）根据输出电压幅值或输出端限幅电路决定输出高、低电平；低电平；（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决）根据输入电压作用于

15、同相输入端还是反相输入端决定输出电压跃变方向。定输出电压跃变方向。第34页/共40页，得令PNO211PIN,uuuRRRuuuOMOHOMOL UUUUREF211TURRRU1. 阈值电压第35页/共40页 设设uIUT，则，则 uN uP， uO+UOM。此时。此时uP +UT，增大，增大 uI，直至，直至+UT，再增大，再增大， uO才从才从+UOM跃变为跃变为 UOM。 设设 uI+UT，则，则 uN uP， uOUOM。此时。此时uP UT，减小，减小 uI，直至，直至UT，再减小，再减小， uO才从才从UOM跃变为跃变为+UOM。 OMOUUOM211TURRRU第36页/共40

16、页1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？3. 若要改变输入电压若要改变输入电压过过 阈值电压时输出电阈值电压时输出电压的压的 跃变方向，则应跃变方向，则应如何修如何修 改电路？改电路？向左右移多少？向左右移多少？改变输出限改变输出限幅电路幅电路第37页/共40页 已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压如图所示，画出各电路输出电压的哪种电压比较

17、器；输入电压如图所示，画出各电路输出电压的波形。波形。同相输入同相输入单限比较器单限比较器反相输入反相输入滞回比较器滞回比较器窗口窗口比较器比较器2 20 0t tu uI I/V/V第38页/共40页 掌握放大概念和性能指标；掌握放大概念和性能指标；掌握差模信号和共模信号定义；掌握差模信号和共模信号定义；掌握理想集成运放的特点：掌握理想集成运放的特点：“虚短虚短”、“虚断虚断”的概念，并会分析运算电路。的概念，并会分析运算电路。 掌握比例、加减、积分电路的分析方法掌握比例、加减、积分电路的分析方法和输出函数。和输出函数。作业：作业：4 4、9 9、1212、1313、1616、1717第39页/共40页