电工与电子技术基础---第8章

电子基础第6章半导体二管及其应用电路第7章晶体管放大电路及其振荡电路第8章集成运算放大器及其应用第9章晶闸管及其应用第10章数字电路电子基础第八章了解集成运算放大器的一般概况；熟悉集成运算放大器的基本类型及其应用；掌握集成运算放大器的理想化条件，并能运用理想化条件对集成运放电路进行分析；理解运放的基本结构、组成、符号及主要参数，了解其常用的非线性应用。学习目的与要求第八章8.1集成运算放大器在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路(英文简称IC)。集成电路的体积很小，但性能却很好。自1959年世界上第一块集成电路问世至今，只不过才经历了四十来年时间，但它已深入到工农业、日常生活及科技领域的相当多产品中。例如在导弹、卫星、战车、舰船、飞机等军事装备中；在数控机床、仪器仪表等工业设备中；在通信技术和计算机中；在音响、电视、录象、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中都采用了集成电路。集成电路的技术发展将直接促进整机的小型化、高性能化、多功能化和高可靠性。毫不夸张地说，集成电路是工业的“食粮”和“原油”。第八章1.集成运算放大器概述集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。现在，运放的应用已远远超过运算的范围。它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。常见集成电路的封装形式圆壳式双列直插式扁平式单列直插式直插式单列扁平式第八章差分输入级中间放大级输出级ui+_u0集成运放的型号和种类很多，内部电路也各有差异，但它们的基本组成部分相同，如下图所示：运放的输入级。利用差分电路的对称特性可提高整个电路的共模抑制比和电路性能。中间级的主要作用是提高电压增益。一般由多级放大电路组成。输出级常用电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。集成运放内部主要有上述三个部分，其外部还常接有偏置电路，以便向各级提供合适的工作电流。第八章图示为常用μA741集成运放芯片产品实物图μA741集成运放的8个管脚排列图如下：μA74112438765调零端反相输入端同相输入端负电源端调零端输出端正电源端空脚第八章反相输入端μA741集成运放图形符号∞＋＋－U0U+U-μA741集成运放外部接线图同相输入端－12V＋12V输出端子调零电位器管脚1和5分别与调零电位器的两个固定端相连调零电位器的可调端与管脚4相连∞＋－6513724＋第八章(1)开环电压放大倍数Au0其数值很高，一般约为104~107。该值反映了输出电压U0与输入电压U＋和U－之间的关系。(2)差模输入电阻ri运放的差动输入电阻很高，一般在几十千欧至几十兆欧。(3)闭环输出电阻r0由于运放总是工作在深度负反馈条件下，因此其闭环输出电阻很低，约在几十欧至几百欧之间。指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压。超出这个电压时，运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件损坏。(4)最大共模输入电压Uicmax2.集成运放的主要技术指标第八章为简化分析过程，同时又能满足实际工程的需要，常把集成运放理想化，集成运放的理想化参数为：①开环电压放大倍数Au0=∞②差模输入电阻ri=∞③输出电阻r0=0④共模抑制比KCMR=∞3.理想集成运放及其传输特性第八章集成运放的电压传输特性理想特性＋U0Mui(mV)0u0(V)线性区实际特性－U0M根据集成运放的实际特性和理想特性，可分别画出其相应的电压传输特性。集成运放工作在线性区时输出电压与输入电压之间的关系饱和区可以看出，当集成运放工作在线性区(+U0M~－U0M)时，其实际特性与理想特性非常接近；由于集成运放的电压放大倍数相当高，即使输入电压很小，也足以让运放工作在饱和状态，使输出电压保持稳定。)(Au00UUU第八章集成运放工作在线性区的特点由)(Au00UUU可知，理想运放工作在线性区时，输出电压U0与输入电压Ui之间是线性放大关系。因Au0=∞，所以可导出0Au00UUU运放工作在线性区差模输入电压等于零，说明，UU即理想运放的两个输入端电位相等。两点等电位相当于短路。理想运放的两个输入端并没有真正短接，但却具有短接的现象称为“虚短”。又由于理想运放的差模输入电阻ri=∞，所以可近似地认为两个输入端均无电流流入。这种现象称为“虚断”。“虚短”和“虚断”是运放工作在线性区的两个重要结论。第八章集成运放由哪几部分组成？各部分的主要作用是什么？工作在线性区的理想运放有哪两条重要结论？试说明其概念？你能说明理想运放的特点是什么吗？第八章集成运放的应用分为线性应用和非线性应用两大类。1.集成运放的线性应用负号说明输入输出反相由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011RuiRuifi，由图可知fii1所以F01RuRuiu+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u－=u+=0整理后可得i1F0uRRu输出与输入的比例值8.2集成运放的应用(1)反相比例运算电路第八章反相比例运算电路中，R2是平衡电阻，其值应选择符合F12//RRR(2)同相比例运算电路由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=uiFi011RuuiRuifi，由图可知fii1所以F01RuuRuiiu+u－i1if∞＋＋－uiu0R2R1RFi2可得根据“虚短”又可推出：u－=u+=ui整理后可得i1F0)1(uRRu输出与输入的比例值显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。为提高电路的对称性，与反相比例运算电路相同，R2=R1//RF第八章(3)反相加法运算电路反相电路存在“虚地”现象，因此2i221i11RuiRui，因为fiiii321可得u－=u+=“地”F03i33RuiRuif，将各电流代入F03i322i11iRuRuRuRu如果321RRR整理上式可得)(3i2i1i1F0uuuRRu若再有F1RR则)(3i2i1i0uuuu实现了反相求和运算u+u－∞＋＋－u0RPR3RFui1R2R1ui2ui3i1i2i3if第八章(4)差分减法运算电路u+u－i1if∞＋＋－ui1u0R1RFi2ui2R2R3若R2=R3，则2i2323i2uRRRuuu1i2i111i12/RuuRuuiF20F02/RuuRuuiif因为fii1不存在“虚地”现象所以F2i012ii12/2/RuuRuu整理得)(1ii21F0uuRRu若R1=RF，则1ii20uuu实现了输出对输入的减法运算。第八章(5)基本微分运算电路微分电路也存在“虚地”现象，即dtduCdtduCii1C11可知u－=u+=“地”微分电路可用于波形变换，将矩形波变换成尖脉冲；且u0与ui相位反相F0i11RudtduCiif因为dtduCRui1F0所以电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的微分。式中的比例常数RFC1称为电路的时间常数为保证电路的平衡，RF=R2uit0u0t0u+u－i1if∞＋＋－uiu0C1RFuCif∞＋＋－u0RFR2第八章(6)基本积分运算电路u+u－i1if∞＋＋－uiu0if∞＋＋－u0R1R2积分电路也存在“虚地”现象，即dtiCuufC101可知u－=u+=“地”111iRiRiuf因为dtuCRui1101将i1代入u0表达式得电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的积分。式中的比例常数R1C1称为电路的时间常数。RF反相比例运放中的偏置电阻用电容代替即为积分电路CF1i11101RuidtiCu，其中所以第八章2.集成运放的非线性应用集成运放工作在非线性区的特点①集成运放应用在非线性电路时，处于开环或正反馈状态下。②非线性运用状态下，U+≠U－，“虚短”概念不再成立。当同相输入端信号电压U＋大于反相输入端信号电压U－时，输出端电压U0=＋UOM，当U＋小于U－时，输出端电压U0=－UOM。③非线性应用下的运放虽然同相输入端和反相输入端信号电压不等，但由于其输入电阻很大，所以输入端的信号电流仍可视为零值。因此，非线性应用下的运放仍然具有“虚断”的特点。④非线性区的运放，输出电阻仍可以认为是零值。此时运放的输出量与输入量之间为非线性关系，输出端信号电压或为正饱和值，或为负饱和值。第八章集成运放工作于非线性区的显著特点就是运行在开环或正反馈状态下；因运放的开环电压放大倍数Au极高，所以只要输入一个很小的信号电压，即可使运放进入非线性区。运放工作在非线性区时，输入和输出不成线性关系。i1∞＋＋－uiR1URR2u0(1)单门限电压比较器单门限电压比较器只有一个门限电平，当输入电压达到此门限值时，输出状态立即发生跳变。电压比较器广泛应用于模/数接口、电平检测及波形变换等领域中。uiu00＋U0M－U0MUR门限电平值第八章电压比较器应用实例利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。UR=0∞＋＋－uiu0由于门限电压等于0，因此为过零电压比较器。ui0tu00t＋UCM－UCM输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生跳变。第八章滞回比较器滞回比较器又称施密特触发器，传输过程中：当输入电压ui从小逐渐增大，或者ui从大逐渐减小时，两种情况下的门限电平是不相同的，由此电压传输特性呈现“滞回”曲线的形状。电路及曲线图如下所示：UB∞＋＋－uiR1R4u0R3R2DZ－UOM+U0MUB1UB2当ui等于或大于UB1时abcdefu0ui0门限电平值当ui小等于或小于UB2时滞回比较器可构成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生器电路，也可以实现波形变换。第八章滞回比较器的特点1、具有双门限UB1和UB2；2、电路具有正反馈环节；3、电路的抗干扰能力强。滞回比较器应用实例ui(V)t010-10tu0(V)07-7当门限电压为±0.7V时输入波形输出波形实现了波形的整形与变换第八章放大电路输入信号本身就是一个已产生了失真的信号，引入负反馈后能否使失真消除？上述问题希望课后认真归纳总结滞回特性指的是什么？如何理解？什么叫反馈？正反馈和负反馈对电路的影响有何不同？？放大电路引入负反馈后，对电路的工作性能带来什么改善？第八章3、何谓“虚地”？何谓“虚短”？何谓“虚断”？“虚地”端是否可以真的接地？1、你能画出电压比较器的电路图和说明滞回比较器的电压传输特性吗？4、工作在线性区的集成运放，为什么要引入负反馈？而且反馈电路为什么要接到反相输入端？2、举例说明理想集成运放两条重要结论在运放电路分析中的作用？5、比较器可以输出方波、但它与方波发生器相比较，有什么不同？第八章uiu00∞＋＋－uiu0UR电压比较器电路图可简单的用下图来表示。滞回比较器的电压传输特性：输入电压ui由小往大变化的过程中，未到达门限电压UB1时，输出电压u0保持不变，到达UB1瞬间，输出电压从+UOM值跳变到－UOM值；当输入电压由大往小变化的过程中，未到达门限电压UB2时，u0保持不变，到达UB2瞬间，输出电压从－UOM值跳变到+UOM值，即具有回差特性。回差电压ΔU=UB1－UB2－UOM+U0MUB1UB2第八章利用理想集成运放“虚断”和“虚短”两个重要结论，无论是运放的线性分析还是非线性分析，都带来很大方便。例如反相比例运算电路的分析：由“虚断”可推出：i2=0，因此u+=“地”F011RuiRuifi，由图可知fii1所以F01RuRuiu+u－i1ifi2可得根据“虚短”又可推出：u－=u+=0整理后可得i1F0uRRu输出与输入的比例值∞＋＋－uiu0R2R1RF第八章u0U－U＋∞＋＋－Ri=∞ii=0虚断运放近似符合理想条件即：Ri≈∞虚短u0输出电压u0为有限值。运放近似符合理想条件。即：Au≈∞，UUuuu0i0uA0A0u0i