第3章集成运算放大器

1第3章集成运算放大器【课题】3.1概述【教学目的】1．了解集成运放的电路结构及电路符号。2．了解零漂对放大电路的危害及差分放大电路抑制零漂的原理。3．理解集成运放的主要参数。【教学重点】1．集成运放电路输入与输出信号之间的相位关系。2．产生零漂的原因、零漂对直接耦合放大电路的危害。3．差分放大电路的组成、特点。4．差分放大电路放大差模信号及抑制零漂（共模信号）原理。【教学难点】1．差分放大电路放大差模信号及抑制零漂（共模信号）原理。2．集成运放的主要参数【教学参考学时】1学时【教学方法】讲授法、分组讨论法【教学过程】一、引入新课给学生展示几种常用的集成运算放大器，让学生认识集成运放的外形，了解目前集成运放已经成为组成电子设备的基本单元，它是利用半导体制造工艺将多级放大电路制作在同一块半导体基片上，使其具有很高放大倍数的电路单元。二、讲授新课3.1.1集成运放的电路结构1．集成运放的电路结构集成运算放大器一般都由输入级、电压放大级、输出级和偏置电路四个部分组成。2．集成运放的电路符号集成运放电路符号如图3.1所示。2“Iv”为同相输入端，“Iv”为反相输入端；“Ov”为输出端；“”表示运算放大器；“∞”表示开环放大倍数极高。同相输入端表示其输出信号与该输入信号相位相同，反相输入端表示其输出信号与该输入信号相位相反。图3.1集成运放的电路符号3.1.2零点漂移的抑制方法1．零点漂移的危害产生零点漂移最主要的因素是温度的变化，因此，零点漂移也叫温漂。集成运算放大器的内部电路均采用直接耦合的方式，零点漂移在第一级产生的微弱变化，会在输出级变成很大的变化，会造成测量误差、系统发生错误动作、放大电路无法正常工作等后果，因此，必须抑制零点漂移。2．零点漂移的抑制方法目前在集成运算放大器中最有效且广泛采用的抑制零点漂移的方法是输入级采用差分放大电路。3．差分放大电路（1）电路的构成及工作原理最简单的差分放大电路见书本P76页图3.7。它由两个完全对称（所有对应元件的参数均相同）的单管放大电路连接而成，输入信号电压由两管的基极输入，输出电压从两管的集电极之间提取。在理想情况下，由于电路的对称性，输出信号电压采用从两管集电极间提取的双端输出方式，对于无论什么原因引起的零点漂移，均能有效地抑制。（2）差模输入在电路的两个输入端输入大小相等但极性相反的信号电压，即21IIvv,这种输入方式称为差模输入。大小相等、极性相反的信号，称为差模信号。差分放大电路对差模信号具有与单管放大电路相同的放大功能，VVDAA。（3）共模输入在电路的两个输入端输入大小相等、极性相同的信号电压，即21IIvv，这种输入方式称为共模输入。大小相等、极性相同的信号称为共模信号。3因温度或电源电压等外界因素变化引起两管的零点漂移电压是大小相等、极性相同的。所以，零点漂移等效于共模信号作用的结果。差分放大电路对共模信号无放大作用，即对共模信号的电压放大倍数为零，0VCA。3.1.3集成运放的主要参数1．开环电压放大倍数VDA：IIOVDvvvA，一般在310～710之间。2．差模输入电阻idR：一般在几十千欧到几兆欧。3．输出电阻oR：一般在几十欧到几百欧。oR越小，运放带负载能力越强。4．输入失调电压IOV：一般为几毫伏。IOV越小，输入级的对称性越好。5．输入偏置电流IBI：2BBIBIII，一般为10nA～1mA，其值越小越好。6．共模抑制比CMRK：VCVDCMRAAK。CMRK常用分贝表示，其值越大越好，一般大于80dB。三、课堂小结1．集成运放的电路结构及电路符号。2．抑制零漂的意义及方法。3．差分放大电路的组成、特点。4．差分放大电路放大差模信号及抑制零漂（共模信号）原理。5．集成运放的主要参数。四、课堂思考P75思考与练习题1、2、3、4。五、课后练习P93一、填空题：1、2；二、判断题：1、2、4；三、选择题：1、2。【课题】3.2集成运放常用电路【教学目的】1．掌握理想集成运放的两个重要结论。42．掌握集成运放反相输入电路和同相输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。3．理解集成运放差动输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。【教学重点】1．理想集成运放的两个重要结论。2．集成运放反相输入电路和同相输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。【教学难点】1．理想集成运放的两个重要结论，“虚短”与“虚断”的含义。2．集成运放差动输入电路的结构、输出电压与输入电压的关系。3．由集成运放组成的运算电路的分析思路和计算方法。【教学参考学时】2学时【教学方法】讲授法、分组讨论法【教学过程】一、复习1．集成运放的电路结构。2．集成运放的电路符号。二、讲授新课在分析集成运放电路时，一般将集成运放看成是一个理想的运放，其等效电路如图3.2所示。集成运放理想状态下的参数是：开环电压放大倍数VDA→∞差模输入电阻idR→∞输出电阻oR→0共模抑制比CMRK→∞图3.2理想运放的等效电路根据上述的理想条件，若运放工作在线性放大区，便可得出如下两个重要结论：（1）理想运放两输入端电位相等，即IIvv5集成运放同相输入端和反相输入端电位相等，相当于同相与反相输入端之间短路，但不是实际短路，故称为虚假短路，简称“虚短”。（2）理想运放输入电流等于零，即0IIii集成运放同相和反相输入端的净输入电流都为零，好像电路断开一样，但又不是实际断路，故称为虚假断路，简称“虚断”。3.2.1反相输入电路1．电路结构与特点反相输入电路的特点如书P79页图3.9所示，输入电压Iv经电阻1R从集成运放的反相输入端加入，同相输入端经电阻2R接地，在输出端与反相输入端之间接有负反馈电阻fR。2．输入、输出电压关系：IfOvRRv1，电压放大倍数为：1RRvvAfIOVF输出电压的大小与输入电压的大小成正比例关系，负号表示输出电压与输入电压相位相反。因此，反相输入电路又称作反相比例运算电路。3．举例说明反相输入电路的分析思路和计算方法。3.2.2同相输入电路1．电路结构与特点同相输入电路的特点如书P80页图3.10所示，输入电压Iv经电阻2R从同相输入端加入，输出端与反相输入端之间接有负反馈电阻fR。2．输入、输出电压关系：IfOvRRv)1(1，电压放大倍数为：11RRvvAfIOVF。同相输入电路中输出电压的大小与输入电压的大小成正比例关系，且输出电压与输入电压相位相同。因此，同相输入电路又称作同相比例运算电路。3．举例说明同相输入电路的分析思路和计算方法*3.2.3其他形式的电路1．加法运算电路加法运算电路的特点如书P81页图3.12所示，在反相输入电路的基础上，增加二个输入端。6输出电压为：)111(332211IIIfFfOvRvRvRRiRv如果取fRRRR321，则)(321IIIOvvvv。输出电压Ov是三个输入电压1Iv、2Iv、3Iv之和，实现了三个信号的加法运算。式中的负号表出输出电压与输入电压之和的相位相反。2．减法运算电路减法运算电路的特点如书P82页图3.13所示，在电路同相输入端和反相输入端均有输入信号。当电路满足21RR，且fRR3时，输出电压与输入电压的关系为：)(121IIfOvvRRv。输出电压Ov与两个输入电压1Iv、2Iv之差成正比，实现了两个信号的减法运算。三、课堂小结1．理想集成运放的两个重要结论，“虚短”与“虚断”的含义。2．反相输入电路的结构特点及输入、输出电压关系。3．同相输入电路的结构特点及输入、输出电压关系。四、课堂思考P79思考与练习题1、2。五、课后练习P93一、填空题：3、4；四、技能实践题：1；五、综合题：1、2。【课题】3.3负反馈放大电路【教学目的】1．理解负反馈的定义，了解负反馈放大电路的组成结构。2．掌握负反馈放大电路的类型和分析方法。3．了解负反馈对放大电路性能的影响。【教学重点】1．负反馈放大电路的组成结构。2．负反馈类型的判别方法。73．负反馈对放大电路性能的影响。【教学难点】1．负反馈类型的判别。2．负反馈对放大电路性能的影响。【教学参考学时】3学时【教学方法】讲授法、分组讨论法、案例分析法【教学过程】一、引入新课分析一个带反馈的放大电路，使学生了解反馈的初步概念，了解正反馈和负反馈的含义。二、讲授新课3.4.1负反馈放大电路的组成与分类1.负反馈放大电路的组成负反馈放大电路由基本放大电路和反馈电路两部分组成。结合书本P85页图3.16负反馈放大电路的组成框图介绍负反馈放大电路各组成部分。2.负反馈放大电路的分类负反馈放大电路有4种类型：电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。（1）直流反馈和交流反馈根据反馈量是交流量还是直流量判断。反馈到输入端的信号是直流电压或电流，称为直流反馈；反馈到输入端的信号是交流电压或电流，称为交流反馈。（2）电压反馈和电流反馈根据反馈电路与基本放大电路的输出端的接法不同判断。反馈电路与基本放大电路的输出端并联，反馈信号取自基本放大电路的输出电压Ov，为电压反馈；反馈电路与基本放大电路的输出端串联，反馈信号取自基本放大电路的输出电流Oi，为电流反馈。（3）串联反馈和并联反馈根据反馈电路与基本放大电路的输入端的接法不同判断。反馈电路与基本放大电路的输入端串联，反馈信号以电压的形式fv出现在输入回路，为串联反馈；反馈电路与基本放大电路的输入端并联，反馈信号以电流的形式fi出现在输入回路，为并联反馈。83.4.2负反馈对放大器性能指标的影响1．降低放大倍数。2．提高放大倍数的稳定性。3．减小非线性失真。4．展宽通频带。5．改变输入、输出电阻。3.4.3负反馈放大电路分析对于负反馈放大电路的分析，主要包括3方面的工作：一是找出反馈元件，确定反馈去路；二是判别反馈极性，确定是正反馈还是负反馈；三是判断反馈的类型。1．判别电路是否存在反馈：找出连接输出回路与输入回路之间的反馈元件，有反馈元件，电路就存在反馈。2．判别是正反馈还是负反馈：采用瞬时极性法。反馈信号极性与输入信号极性相反，为负反馈；反馈信号极性与输入信号极性相同，则为正反馈。3．判别反馈类型：在输入端判别是串联反馈还是并联反馈，在输出端判别是电压反馈还是电流反馈。四、课堂小结1．负反馈放大电路的组成结构。2．负反馈类型的判别方法。3．负反馈对放大电路性能的影响。五、课堂思考P86思考与练习题1、2、3。六、课后练习P93一、填空题：5、6、7；二、判断题：3、5；三、选择题：3、4；四、技能实践题：2。【课题】实训项目3.1集成运放常用电路的测量【实训目标】掌握集成运放电路的测量方法。【实训重点】91．反相输入电路的测量。2．同相输入电路的测量。【实训难点】集成运放的调零。【参考实训课时】2学时【实训方法】讲授法、演示法、实操法【实训过程】一、实训任务任务一集成运放的调零按照书本P91页的操作步骤，通过外接电路对集成运放LM741进行调零。任务二反相输入电路的测量1．利用模拟电子技术实验箱连接LM741集成运放的反相输入电路。2．在反相输入端加入直流电压IV，依次将IV调到-0.8V、-0.4V、+0.4V、+0.8V，用万用表测量出每次对应的输出电压OV。任务三同相输入电路的测量1．利用模拟电子技术实验箱连接LM741集成运放的同相输入电路。2.在同相输入端加入直流电压IV，依次将IV调到-0.8V、-0.4V、+0.4V、+0.8V，用万用表测量出每次对应的输出电压OV。二、实训小结1．集成运放LM741的调零方法。2．反相输入电路的连接与测量。3．同相输入电路的连接与测量。三、课堂思考输入电压IV调到-0.8V、-0.4V、+0.4V、+0.8V时，分别计算反相输入电路与同相输入电路对应的输出电压值。四、课后作业1．实训报告及本次实训的体会和收获。102．完成项目实训评价表的学生自评部分。【课题】实训项目3.2集成运放常用电路的安装和调试【实训目标】1．掌握集成运放组成的两级放大电路的工作原理。2．掌握集