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文档简介

理论学习理论学习课程导学课程导学自我测试自我测试 本章知识结构图 本章教学要求 正确理解集成运放的组成结构及各组成部分的作用;掌握运放的电 路模型以及理想运放的特点;熟练掌握“虚短”、“虚断”“虚地”概念;熟 练掌握各类差基本线性运大电路和运算电路。 本章重点难点 1集成电路运算放大器的基本组成 集成电路运算放大器的实质是高电压增益、高输入电阻和低输出 电阻的多级直接耦合放大电路。通常由输入级、中间级、输出级以及 偏置电路组成。 输入级通常采用恒流源式的差分式放大电路,通过发挥集成运放 内部参数匹配性好的特点,降低零点漂移、温度漂移;采用恒流源引 入共模负反馈,抑制共模信号,提高共模抑制比。 中间级又称电压放大级,其主要任务是提供足够大的电压增益, 向输出级提供大的推动电流,因此通常由共射放大电路组成。 输出级一般不要求提供高的电压放大倍数,而要求向负载提供足 够大的输出电流。通常输出级采用电压跟随器或互补对称的电压跟随 器。 偏置电路起到为输入级、中间极和输出级提供偏置电流,确定各 级静态工作点以及在放大电路中充当有源负载的作用。偏置电路主要 由电流源电路组成,常用的有镜像电流源、比例电流源和微电流源等 ,前两者提供的偏置电流较大,后者则可产生较小的偏置电流,适用 于输入级偏置电路。 2集成运算放大器线性应用电路 集成运算放大器实际上是高增益直耦多级放大电路,它实现线性 应用的必要条件是引入深度负反馈。此时,运放本身工作在线性区, 两输入端的电压与输出电压成线性关系,各种基本运算电路就是由集 成运放加上不同的输入回路和反馈回路构成。在分析由运放构成的各 种基本运算电路时。 注意:不同的输入方式(同相或反相)和负反馈这两个基本点。 3理想集成运放工作在线性区的两大特点 理想集成运放工作在线性区时,存在两个重要特征“虚短”和“虚断 ”。 “虚断”和“虚短”是分析集成运放构成的各种线性电路的重要依据。 “虚短”是指在理想情况下,两个输入端的电位相等,就好像两个输 入端短接在一起,但事实上并没有短接,称为“虚短”。虚短的必要条 件是运放引入深度负反馈。 “虚断”是指在理想情况下,流入集成运算放大器输入端电流为零。 这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大,就好像运放两个输入端 之间开路。但事实上并没有开路,称为“虚断”。 第二章第二章 运算放大电路运算放大电路 2.1 集成电路运算放大器 2.2 理想运算放大器 2.3 基本线性运放电路 2.4 同相输入和反相输入放大电路及其应用 真空 器件 半导体 器件 集成电路 大规模 集成电路 集成电路的分类 1.按功能分类: 数字集成电路、模拟集成电路 2.按构成有源器件的类型分类: 双极型、单极型 3.按外形分类: 双列直插式、圆壳式、扁平式 4.按类型分类: 集成运算放大器、集成功率放大器、 集成比较器、集成稳压器等等 2.1 集成电路运算放大器 输入级中间级输出级 偏置电路 2.1 集成电路运算放大器 实质: 集成运放是具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 对集成电路的多项 性能起决定性作用 提供足够大的电压放大倍数,要 求: 具有较高的电压放大倍数; 具有较大的输入电阻,减小对 前级的影响; 向输出级提供大电流。 提供足够大的输出功率; 具有较大的输入电阻,减小对 前级的影响; 具有较小的输出电阻,提高带 负载能力; 电压电压 增益为为1。 为输入级、中间级、输出级提供合 适的偏置电流,以确定各级静态工作 点; 作为有源负载,提高放大电路的电 压增益。 一. 内部组成单元 反相输入端 N 同相输入端 P O 输出端 二. 运算放大器的代表符号 “+”对应的端子同相输入端,即此端输入信号,将在输出端 得到一个与输入信号同相位的输出信号; “-”对应的端子反相输入端,即此端输入信号,将在输出端 得到一个与输入信号反相位的输出信号。 输入端P(同相输入端)、N(反相输入端)和输出端O的电压 分别为vP、vN、vO。 三. 运算放大器的电路模型 将运算放大器看作具有端口特性的标标准器件,用包含输输入端口、输输 出端口、供电电电电 源端的电电路模型表示。 输输入端口用输输入电电阻ri(较较大,通常为为106或更高)模拟拟,输输出端 口用输输出电电阻ro(较较小,通常为为100或更低)和受控电压电压 源Avo(vP-vN )模拟拟。 开环环增益较较高,至少为为104,通常可高达106; 输输出电压电压 不能超越正负电负电 源电压值电压值 ,具有正负饱负饱 和极限值值( +Vom =V+,-Vom = V-),实际输实际输 出电压电压 介于两者之间间,具体表示为为 电压传输电压传输 特性是指开环时环时 ,输输 出电压电压 与差模输输入电压电压 之间间的关系 。 运放的电压传输特性主要分为线性 区(当输入电压幅值较小时,输出电压 和输入电压之间呈线性关系)和非线性 区(限幅区)。 为使集成运放所组成的各种电路稳 定地工作在线性区,应引入负反馈。 三. 运算放大器的电压传输特性 例题 运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻ri=0.6M,电源电压 V+=+12V, V-=-12V 。(1)试求当时输入电压vo= Vom=+12V 时的最小 幅值vP- vN=?(2)输入电流ii?(3)画出传输特性。 1输出电压的饱和极限值等于电源电压,即 +Vom=V+,-Vom=V-; 2运放的开环电压增益很高,Avo,使得差分输入电压很小 时,运放仍可能进入饱和区; 3当输出电压未饱和时,差分输入电压必趋近于零,当运放输出 电压介于两饱和极限时,运放必工作在线性区; 4内部输入电阻ri近似认为无穷大,则两输入端的电流近似为零; 5. 内部输出电阻ro很低,可近似认为为零。 2.2 理想运算放大器 理想集成运放工作在线性区时, 存在两个重要特征“虚短”和“虚断”。 1“虚短” 集成运放工作在线线性区时时,其同 相输输入端和反相输输入端的电压电压 近似相 等,这这一特点称为为“虚短”。 v PvN 2“虚断” 集成运放工作在线线性区时时,其同 相输输入端和反向输输入端的输输入电电流均 近似为为零,这这一特点称为为“虚断”。 i +=i- 0 2.3 基本线性运放电路 2.3.1 同相放大电路 运放均视为理 想运放 主要技术指标 1闭环电压增益 Av的值只取决于运放外部的元 件值,与运放本身的参数无关。 3输出电阻 Ro= ro/(R1/ri)+R20 2输入电阻 电压跟随器 当R1=、R2=0时,输出电压与输入电压大小相等,相位相同, 对应的电路称为电压跟随器,常充当阻抗变换器或缓冲器。 电压跟随器接在高内阻信号源与负载间时,可消除负载变化对 输出电压的影响。 例题 磁电式电流表指针偏移满刻度时,流过动感线圈电流IM=100A ,当R1=2M时,可测得最大输入电压VS(max)? 2.3.2 反相放大电路 输入电压经电阻R1加到反 相端,输出电压由电阻R2反馈 回反相端,同相端接地。 由于“虚短”,反相输入端 近似为地电位,称为反相端“ 虚地”反相放大电路在闭 环工作状态下的重要特征。 电路的输出电压与输入电压成比例,且相位相反。当R2R1 时,闭环电压增益为-1 ,输出电压与输入电压之间实现反相功能 ,此时的运算放大电路称为反相器或反相电电路。 2输入电阻 主要技术指标 1闭环电压增益 3输出电阻 Ro0 例题 (1)求图示电路的电压增益表达式; (2)该电路用作话筒的前置放大级,若选R1=51k, R2=R3=390k, 当vo=-100vi时,计算R4的值; (3)直接用R2代替T形网络中的电阻时,当R1=51k, Av=-100时,求R2 。 例题 直流豪伏表电路如图所示,当R2R3时,(1)试证明VS= (R1R3/R2)IM;(2)R3=1k,R1= R2=150k,输入信号电压 VS=100mV,通过毫伏表的最大电流IM(max)=? 2.4 同相输入和反相输入放大电路 的其他应用 2.4.1 求差电路 该电路是同相输入和反相输入相结合的放大电路,又称差分放大电路。 电电路的输输出电压电压 与两个输输入电压电压 之差成比例,即实现实现 差分 比例(求差)运算,主要用于减法运算、测测量放大器。 当R4 / R1 = R3/ R2时, 输入电阻 输出电阻 很小 例题 求图示高输入阻抗差分放大电路的输出电压的表达式,说明其特点。 2.4.2 仪用放大器 运放A1、A2按同相输输入接法组组成第一级级差分放大电电路,运放 A3组组成第二级级差分放大电电路。 通常R2、R4、R3为给为给 定值值,用可变电变电 阻代替R1,通过调节过调节 R1 来改变电压变电压 增益。 输输入电电阻 Ri 2.4.3 求和电路 多端输输入的反相输输入放大电电路。也可由同相放大电电路组组成。 当R1 = R2 =R3时时, 结论: 1.输出电压与各输入电压呈反相关系; 2.当改变某一输入回路的电阻时,仅改变输出电压与该路输入电压 的比例关系。 例题 某歌唱小组组有一个领领唱和两个伴唱,各自的歌声分别输别输 入三个话话 筒,各话话筒的内阻RS=500,接入如图图求和电电路。(1)求总总的输输出电电 压压vo的表达式;(2)当各话话筒产产生的电电信号为为vs=vs1=vs2=vs3=10mV时时 ,vo=2V,伴唱支路增益Av1= Av2,领领唱支路增益Av3= 2Av1,求各支路增 益;(3)选择电选择电 阻R1、R2、R3和R4的阻值值(要求阻值值小于100k)。 结论: 1. 实现同相求和运算; 2. 当改变某一输入回路的电阻时,将改变各路输入电压与输出电压 的比例关系; 例题:试用集成运放实现以下运算关系 uO = 0.2uI1-10uI2+1.3uI3 电路中多个输入信号同时实现加减法运算时,可采用两级反相 求和电路。 2.4.4 积分运算和微分运算 输出电压为输入电压对时间的积分,且两者相位相反。 一. 积分运算 1. 输入信号为阶跃信号时,可实现波形的转换; 2. 输出信号与时间成线性关系,向负方向增长,且增长速度与输入 电压的幅值成正比,与积分时间常数成反比; 3. 输出电压的最大值受直流电源电压限制; 4. 主要用作显示器的扫描电路、模数转换器、数学模拟运算器。 例题 电路中电源电压V+= 15V, V-= -15V , R= 10 k,C= 5nF,输输入电压电压 vI波 形如图图所示,在t=0,电电容器的初始电电 压压vc(0)=0,试试画出输输出电压电压 vO的波 形,并标标出vO的幅值值。 输入波形为正弦波时,可实现波形的移相。 输出电压正比于输入电压对时间的微商,且两者相位相反。 输入电压为阶跃信号时,输出电压将逐渐衰减; 输入信号为正弦函数时,输出电压的幅值将随频率的增加而线 性增加,对高频躁声较为敏感。 微分电路主要用于波形变换,将矩形波变换成尖顶脉冲波。 二. 微分运算 第二章 自我测试 一判断题 1运算电路中一般均引入负反馈。( ) 2在运算电路中,集成运放的反相输入端均为虚地。( ) 3凡是运算电路都可利用“虚短”和“虚断”的概念求解运算关系。( ) 二、选择题 1现有电路: A同相求和 B反相求和 C反相比例运算电路 D同相比例运算电路 E积分运算电路 F微分运算电路 (1)欲将正弦波电压移相90,应选用 ; (2)欲实现Au100的放大电路,应选用 。 (3)欲将方波电

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