第3章 模拟集成放大器及其应用.doc

甘肃工业职业技术学院 教 案 序 3 号 课 授课 计划 班级 课时 题 第三章 6 集成运算放大器的应用 1、了解集成放大器的基本结构和主要参数； 教学目的 及 教学要求 2、掌握集成放大器的分析重点； 3、掌握负反馈的类型的判断、反馈电路结构特点； 4、掌握负反馈对放大电路性能的影响； 5、掌握运算放大器的应用以及运用中的实际问题。 本章重点： 1、理想集成运算放大器基本概念的建立 重点 和 难点 2、集成运算放大器典型线性应用分析方法 3、负反馈类型的判断与反馈分析 本章难点： 1、集成运放的应用与工作原理分析。 2、负反馈类型判断、反馈电路分析 1、模拟电子技术（第二版） 胡宴如主编 高等教育出版社 2004.2 2、数字电路技术 杨志忠主编 高等教育出版社 2000.4 参考资料 3、电子技术基础 康华光等编 高等教育出版社 1995.8 4、电工电子技术 教材 林平勇编 高等教育出版社 2000.4 教材：《电子电路与电子器件》 郭培源主编 高等教育出版社 2004.2. 1 一、教学内容 3.1 集成放大器基础 3.2 负方馈放大器 3.3 集成放大器的线性应用 3.4 集成放大器应用技术 二、内容提要 本章主要讲述集成运算放大器的结构、参数特性及集成运算放大器的基本线性放大电路；负反 馈的基本概念、负反馈的分析方法，反馈组态及判别方法，反馈对放大电路性能的影响；最后介绍 运放的运算与使用电路。 三、教学过程（教案） 第三章 3.1 集成运算放大器的应用 集成放大器基础 3.1.1 集成放大器概念 【集成放大器的特点】 1．电容元件是由半导体 PN 结形成，只有几十个微法，若需用大电容时要外结，因而集成放大 器内部只能采用直接耦合放大电路； 2．集成元件虽然精度不高，但对称性好，距离近，温度性容易保持一致； 3．电阻元件有半导体电阻形成，大小一般在 100Ω～30KΩ，需用大电阻时可外接，或采用半导 体三极管组成的有源负载代替； 4．集成放大器工作电源电压比数字集成电路要高，一般在（10～30）V 左右，双电源放大器要 求正负对称电源； 3.1.2 集成放大器的结构、电路、分类及主要参数 【集成放大器的结构】由输入级、中间放大级、输出级三部分组成 【集成放大器的分类】分为通用型和专用型（分为高精度型、高输入阻抗型、低功耗型、高速型 等。 ） 【集成放大器的主要参数】 （1）开环放大倍数 A （2）输出失调电压 UIO （3）输入失调电流 IIO （4）最大输出电压 UO （5）最大共模输入电压 Uicmax （6）其他性能指标：差模输如电阻、输出电阻、共模抑制比、静态功耗、温度漂移等。 3.1.3 理想集成放大器及其分析重点 1．集成放大器的理想特性 【集成放大器的理想参数】 开环电压放大倍数 A=∞ 差模输入电阻 rid=∞ 输出电阻 ro=0 输入偏置电流 IB1=IB2=0 共模抑制比 KCMR=∞ 2 上限频率 fH=∞ 2．集成放大器的分析重点 （1）线性区： ●虚短路原则（简称“虚短” ）：反相输入端电位和同相输入端电位几乎相等，称为虚短路。 即： u  u  因此有： u  u uo 0 A ●虚断路原则（简称“虚断” ）：集成放大器的差模输入电阻 rid=∞，输入偏置电流 i+=i-≈0 称为虚 断路。 （2）非线性区 ●当 u+＞u-时 uo=-UOM ●当 u+＜u-时 uo=+UOM 此时 ，虚短路原则不成立， u  u ，但虚断路原则仍然成立，即有 i+=i-≈0。 3.2 负反馈放大器 3.2.1 反馈的基本概念 1．反馈：将放大电路输出信号的一部分或全部经反馈网络送回到输入端，称为反馈。 2．反馈的分类： （1）分类：正反馈和负反馈、直流反馈和交流反馈、电压反馈和电流反馈、串联反馈和并联反 馈。 （2）有无反馈的判别：看电路中是否存在连接输出回路和输入回路的反馈通路。 3．反馈类型的判别方法: （1）正、负反馈的判别：采用瞬时极性法。 图（a）中，在 ud 正方向设定 情况下，有 ui  u  uo  u  净输入电压ud  (u  u )  可判断电路引入正反馈。 在图（b）中， ui  u  uo  i f  净输入电压id  (ii  i f )  可判断电路引入负反馈。 （2）直流反馈与交流反馈的判别：反馈信号中只有直流分量，成为直流反馈；反馈信号中只有 交流分量，成为交流反馈。反馈信号中既有直流分量又有交流分量，成为交直流反馈。 （5）电压反馈与电流反馈的判别：通常采用负载短路法。 3 （6）串联反馈与并联反馈的判别：根据输入信号与反馈信号的连接方式判别。 3.2.2 负反馈的分析方法 在负反馈放大器中，如图所示，开环放大器的放大倍数： A=xo/xd 反馈网络中反馈系数 F= xf/xo 反馈放大器的闭环放大倍数 Af=xo/xi 化简得： Af  xo Axd Axd A    xi xd  xf (1 AF )xd 1 AF 1.当 1 AF  1时， Af  A 。引入负反馈后，放大倍数下降，但整个闭环放大器其他性能都 会得到显著改善。 2.当 1 AF  1时， Af  A 。即放大倍数增加，电路转为正反馈，使反馈放大器性能不稳定。 3. 1 AF  0 时， Af  。既在没有输入信号（xi=0）时也产生输出信号（ xo  0），这种现 象叫做自激振荡，简称自激。自激破坏了放大器的正常工作状态，应当设法避免。而对于振荡电路， 却正是利用自激产生各种波形信号。 需要指出，上式为反馈放大器工作在中频条件下的表达式，若在高频或低频下工作，上式应为 Af  A ，它既有幅值也有相位，是一复数表达式。 F 1 A 3.2.3 负反馈放大器的四种组态 1.电压串联负反馈 （1）电路组成： （2）反馈特点： 电压负反馈具有稳定输出电压、减小输出电阻的作 用，其过程如下： uo  u f  ud  (ud  ui  u f )  uo  根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为： Af  U O R1  RF R   1 F Ui R1 R1 2.电压并联负反馈 （1）电路组成： （2）反馈特点：当 ii 一定时 if 愈大，反馈愈强，净输 4 入电流 id 愈小，反馈效果愈好。ii 要保持一定，则 ii 信号源内阻应很大，反馈效果才会好。 根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为： Af  UO R  F Ui R1 3.电流串联负反馈 （1）电路组成： （2）反馈特点：电流负反馈具有稳定输出电流、提高 输出电阻的作用。其过程如下; io  u f  ud  io  根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为： Af  U O RL  U i RF 4.电流并联负反馈 （1）电路组成：如图所示 （2）反馈特点：由于是并联反馈，宜采用高内阻的信 号源。 根据虚短、虚断原则闭环电压放大倍数为： Af  UO R R   L (1 F ) Ui R1 R 3.2.4 负反馈对放大器性能的影响 1.提高放大倍数的稳定性 2.改变电路的输入电阻和输出电阻 （1）引入串联负反馈，增大输出电阻 （2）引入并联负反馈，减小输入电阻 （3）引入电压负反馈，减小输出电阻 （4）引入电流负反馈，增大输出电阻 3.展宽通频带 4.减小非线性失真和抑制干扰 负反馈对放大电路性能的影响与反馈深度有关 5.负反馈的应用原则 （1）若要稳定放大器的静态工作点，应引入直流负反馈，若需改变其动态性能指标，应引入交 流负反馈。 （2）若要稳定输出电压，应引入电压负反馈，若要稳定输出电流，应引入电流负反馈。 （3）若要提高输入电阻，应采用串联负反馈，反之，引入并联负反馈。 （4）若要降低输出电阻，应采用电压负反馈，反之，引入电流负反馈。 3.2.5 集成放大器组成的三种基本实用放大器 1.反相比例放大器 根据运放工作在线性区的两条分析依据可知： 闭环电压放大倍数为： 5 Auf  uo R  F ui R1 当 RF  R1时， uo  ui ，即 Auf  1，该电路就成了反相器。 2.同相输入比例运算电路 同反相输入比例运算电路一样根据运放工作在线性区的虚短和虚断两条分析依据，闭环电压放 大倍数为： uo R  1 F ui R1 可见同相比例运算电路的闭环电压放大倍数必定大于或等于 1。 if Auf  R1 i1 Δ ui － Rp 电压跟随器：当 Rf  0 或 R1   时， uo  ui ，即 Auf  1 RF ∞ + Δ － ui + 3.差分放大器 差分放大器 （1）加法运算电路 uo + ∞ + uo RF ui 1 R1 ui 2 R2 可见输出电压与两个输入电压之间是一种反相输入加法 运算关系。 （2）减法运算电路 ∞ Δ R R uo  ( F ui1  F ui 2 ) R1 R2 若 R1  R2  RF ，则： uo  (ui1  ui 2 ) － + + uo R3 若 R3   （断开），则： uo    RF  RF ui1   1 R  ui 2 R1 1   若 R1  R2 ，且 R3  RF ，则： uo  RF (ui 2  ui1) R1 若 R1  R2  R3  RF ，则： uo  ui 2  ui1 由此可见，输出电压与两个输入电压之差成正比，实现了减法运算。 3.3 集成放大器的线性应用 6 3.3.1 集成放大器在模拟运算中的应用 1.加法运算电路 （1）反相输入加法运算电路 R f uo     R1 ui1  Rf  ui 2  R2   （2）同相输入加法运算电路 uo  R3  R f k1ui1  ui 2  R3 k1  其中 R2 R2  R2 ； k2  R1 R2  R2 2.减法运算电路 第一级为反相放大器，第二级为反相输 入加法运算电路。完成 ui2 与 ui1 的相减运 算。 R f 2 uo     R2 ui1  Rf 2Rf 1  ui 2   R1R3  【例 例 1】 试用两级运算放大器设计一个加减运算电路，实现以下运算关系： uo  10ui1  20ui 2  8ui 3 解 由题中给出的运算关系可知 ui3 与 uo 反相，而 ui1 和 ui2 与 uo 同相，故可用反相 加法运算电路将 ui1 和 ui2 相加后，其和再与 ui3 反相相加，从而可使 ui3 反相一次，而 ui1 和 ui2 反相两次。根据以上分析，可画出实现加减运算的电路图，如图所示。 由图可得： Rf1 Rf2 Rf2 Rf2  Rf2 Rf1 Rf1  Rf2     uo1  u  u u  u  u   R i1 R i 2   R i 3 R o1 R  R i1 R ui 2   R ui 3 2 5 5  1 2  1  4  4  根据题中的运算要求设置各电阻阻值间的比例关系： Rf2 R R R  1， f1  10， f1  20， f2  8 R5 R1 R2 R4 若选取 Rf1  Rf2  100k ，则可求得其余各电阻的阻值分别为： 7 R1  10k ， R2  5 k ， R4  12.5 k ， R5  100k 平衡电阻 R3、R6 的值分别为： R3  R1 // R2 // Rf1  10// 5//100 2.5 k R6  R4 // R5 // Rf2  12.5//100//100 10k R1 ui1 Rf1 － R3 3.积分和微分运算电路 积分和微分运算电路 （1）积分运算电路 uo   + ui3 ∞ A1 + R4 Rf2 R5 uo1 Δ ui2 Δ R2 R6 ∞ － A2 + + uo 1 u dt RC  i 输出电压与输入电压对时间的积分成正比。 （2）微分运算电路 uo  iR R  iC R  RC dui dt ui C iC RP ui U 【例 2】 利用积分电路将方波变成三角波时间常数 t = R1Cf= 0.1 ms uo   1 0 uo 0 R Δ 输出电压与输入电压对时间的微分成正比。 iR － + ∞ + uo t t t2 uI dt  uC (t1) R1Cf  t 1 设 uC(0) = 0 0.1 uo t0.1ms   1 5dt 0.1  0 =5V 0.3 1 = -5V (5)dt  5 uo t0.3ms    0.10.1 3.3.2 集成放大器在信号测量中的应用 8 集成运放具有灵敏度、准确度高，线性好，输入电阻高等特点被用在各种信号测量电路中，由 其在精密微信号测量方面有广泛的应用。 1．直流电压、电流、电阻测量：直流电压表、电流表、欧姆表 2. 测量放大器：对微弱信号进行放大 3. 光电测量电路：将光电器件转换的电信号进行放大 4. 温度的测量：将温度传感器转换的电信号进行放大 5. 精密整流：将较小的整流信号放大。 3.4 集成放大器应用技术 1．集成放大器的选择 （1）集成放大器的型号及性能参数 （2）负载的性质 （3）精度要求 （4）环境条件 2．放大器参数测试 集成放大器的主要参数，制造厂家在器件出厂前都进行过测试，并会给出这方面的技术资料， 各种参数一查便可知道。为了得到准确的参数值可以用电压表、电流表进行简易测试。 3．相位补偿 集成放大器是一个高增益的多级直接藕合放大电路，应用中若引人过深的负反馈，往往容易引 起自激振荡，使电路无法正常工作。在应用中需对电路进行适当的相位补偿，以便消除自激，使电 路在闭环时能够稳定工作。 4．调零 集成放大器由于输入级不可能完全对称，输入信号为零时输出电压不为零。放大器在使用前应 先调零。 5．保护措施 集成放大器输入差模信号电压是有一定限制的，超过规定值时，会造成放大器内部三极管永久 性损坏。采取输人保护措施可以限制信号幅度。 四、本章小结 1.集成放大器是一种具有很高的开环电压放大倍数的直接藕合放大器。由于元器件都集成在同 一硅片上，所以差分输入对管的参数匹配性能较好，温度性能可以保持一致，能有效克服零点漂移。 2. 在 工 程 设 计 和 计 算 时 ， 都 可 以 将 集 成 放 大 器 看 成 理 想 器 件 。 理 想 化 是 指 :A= ∞ ， rid= ∞,ro=0,IB1=IB2=0,KCMR=∞,fH=∞。 3.集成放大器工作分为线性区和非线性区两部分；对线性区而言，有“虚短”和“虚断”的概 念，它是分析线性应用的有力工具；对非线性区(饱和区)而言，“虚短”路原则不成立，但“虚断” 路原则仍成立。 4.负反馈有电压串联，电压并联，电流串联，电流并联四种组态。电压反馈稳定输出电压，降 低输出电阻；电流反馈稳定输出电流，提高输出电阻。申联反馈提高输人电阻；并联反馈降低输人 电阻。除此之外，引入负反馈可以提高放大倍数的稳定性，展宽通频带，减小非线性失真和抑制干 扰。 5.反相放大器、同相放大器、差分放大器是其他各种线性电路应用的基础，其输入输出关系及 其性能应认真掌握。在分析复杂应用电路时，能够识别这些基本电路并直接应用放大倍数公式。 五、作业 7、8、11、14、16、19、22 9