第06章《实用电工电子技术教程(第二版)》-电子教案.ppt

第六章 实用基本集成器件及其应用 第6章实用基本集成器件及其应用 内容提要1 集成运算放大电路的特点和基本组2 理想运算放大器3 集成运放在线性区的应用4 直流稳压电源的组成及工作原理5 集成稳压电路6 实训一 习题分析技术7 实训二 实用培训技术 6 1集成运算放大电路的特点和基本组成 6 1 1集成运算放大电路的特点集成电路简称IC IntegratedCircuit 是20世纪60年代初期发展起来的一种半导体器件 它是在半导体制造工艺的基础上将各种元器件和连线等集成在一片硅片上面制成的 因此密度高 引线短 外部接线大为减少 从而提高了电子设备的可靠性和灵活性 同时降低了成本 为电子技术的应用开辟了一个新的时代 集成电路按其功能的不同 可以分为数字集成电路 输入量和输出量为高 低两种电平且具有一定逻辑关系的电路 和模拟集成电路 数字集成电路以外的集成电路统称为模拟集成电路 按模拟集成电路的类型来分 则又有集成运算放大器 集成功率放大器 集成高频放大器 集成中频放大器 集成比较器 集成乘法器 集成稳压器 集成数 模和模 数转换器以及集成锁相环等 按构成有源器件的类型来分 则有双极型和单极型 场效应管 等 与分立元件组成的放大电路相比 它具有以下几方面的特点 1 对称性较好 适用于构成差分放大电路 2 需要很高阻值的电阻时 就要在电路上另想办法 3 在集成放大电路中 常常用三极管代替电阻 尤其是大电阻 4 放大级之间通常都采用直接耦合方式 而不采用阻容耦合方式 5 在分析时 横向PNP管的 和 1值差别比较大 6 1 2集成运放的基本组成部分 1 偏置电路 偏置电路的作用是向各放大级提供合适的偏置电流 确定各级静态工作点 2 差分放大输入级 差分放大电路常见的形式有3种 基本形式 电阻长尾式和恒流源式 3 中间级 中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数 4 输出级 集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要 同时还应具有较低的输出电阻以便增强带负载能力 6 2理想运算放大器 集成运放的输入级通常由差分放大电路组成 它具有两个输入端和一个输出端 还有用于连接电源等的引出端 两个输入端中 一个与输出端为反相关系 称为反相输入端 另一个与输出端为同相关系 称为同相输入端 6 2 1集成运放的主要技术指标 1 开环差模电压增益AodAod是指运放在无外加反馈情况下的差模电压增益 一般用以10为底的对数表示 单位为分贝 它的定义是 Aod是决定运放精度的重要因素 理想情况下希望为无穷大 实际集成运放Aod一般在100dB以上 高质量的集成运放Aod可达160dB以上 2 差模输入电阻rid它的定义是差模输入电压Uid与相应的输入电流Iid的变化量之比 即用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小 一般集成运放的差模输入电阻为几兆欧 以场效应管作为输入级的集成运放 国产的高输入阻抗的集成运放可达106M 3 共模抑制比KCMR共模抑制比的定义是开环差模电压增益与开环共模电压增益之比 一般也用对数表示 即这个指标用以衡量集成运放抑制温漂的能力 多数集成运放的共模抑制比在80dB以上 高质量的可达160dB 4 输出电阻ro是指集成运放在开环状态下的动态输出电阻 它表征集成运放的带负载能力 ro越小 带负载能力越强 它的数值一般在几十欧至几百欧 CF741的ro 75 6 2 2理想运算放大器及特点 1 理想运放的技术指标 1 开环差模电压增益 2 差模输入电阻 3 输出电阻 4 共模抑制比 2 理想运放工作在线性区时的特点在各种应用电路中 集成运放的工作范围有两种情况 工作在线性区和工作在非线性区 当工作在线性区时 集成运放的输出电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系 即 理想运放工作在线性区时有两个重要结论 1 理想运放的差模输入电压等于0 由于运放工作在线性区 故输出 输入之间符合式 6 1 所示的关系式 而且Aod 因理想运放的 所以由式 6 1 可得即上式表示运放同相输入端与反相输入端两点的电压相等 如同将该两点短路一样 但是该两点实际上并未真正被短路 将这种现象称为 虚短 2 理想运放的输入电流等于0 由于理想运放的差模输入电阻rid 因此在其两个输入端均没有电流 即此时 运放的同相输入端和反相输入端的电流都等于0 如同该两点被断开一样 这种现象称为 虚断 虚短 和 虚断 是理想运放工作在线性区时的两点重要结论 这两点重要结论常常作为今后分析许多运放应用电路的出发点 因此必须牢牢掌握 3 理想运放工作在非线性区时的特点理想运放工作在非线性区时 有两个重要的特点 1 理想运放的输出电压uo的值只有两种可能 等于运放的正向最大输出电压 UOM 等于其负向最大输出电压 UOM 在非线性区内 运放的差模输入电压 u u 可能很大 即u u 也就是说 此时 虚短 现象不复存在 2 理想运放的输入电流等于0 在非线性区 虽然运放两个输入端的电压不等 即u u 但因为理想运放的rid 故仍认为此时的输入电流等于0 即i i 0 理想运放工作在线性区或非线性区时 各有不同的特点 因此在分析各种应用电路时 首先必须判断集成运放究竟工作在哪个区域 当集成运放工作在线性区时 一般在电路中引入深度负反馈 以保证放大电路稳定工作 6 2 3运放应用电路的分析步骤 对于实际运放应用电路的分析和计算 可以归纳为以下3步 1 将实际运放作为理想运放看待 这就抓住了主要矛盾 实际运放就具有了理想运放的特点 2 判断集成运放是工作在线性放大区还是非线性放大区 线性放大电路中往往加负反馈以保证稳定工作 而非线性放大电路中往往加正反馈以加速输出状态的转换 3 对工作在线性放大区的集成运放电路 可运用其两个重要结论进行分析 列电路方程求解 对工作在非线性区的集成运放电路 也可运用非线性的两个特点进行分析和计算 6 3集成运放在线性区的应用 6 3 1反相比例运算电路 图6 5反相比例运算电路 输入电压ui经R1加到集成运放的反相输入端 其同相输入端经电阻R2接地 输出电压u0经RF接回到反相输入端 为使差动放大电路的参数保持对称 应使两个差分对管基极对地的电阻尽量一致 通常选择R2的阻值为 常称R2为平衡电阻 在图6 5中 由于 虚断 故i 0 即R2上没有压降 可得上式说明在反相比例运算电路中 集成运放的反相输入端与同相输入端两点的电位不仅相等 而且均等于0 如同该两点接地一样 这种现象称为 虚地 虚地 是反相比例运算电路的一个重要特点 由于i 0 则由图6 5可见 即 上式中u 0 由此可以求得反相比例运算电路的电压放大倍数为 因为反相输入端 虚地 电路的输入电阻 综合以上分析 对反相比例运算电路可归纳得出以下几点结论 1 反相比例运算电路实际上是一个深度的电压并联负反馈电路 在理想情况下 反相输入端的电位等于0 称为 虚地 因此加在集成运放输入端的共模输入端电压很小 2 电压放大倍数 即输出电压与输入电压的幅值成正比 但相位相反 也就是说 电路实现了反相比例运算 比值决定于电阻RF和R1之比 而与集成运放内部各项参数无关 只要RF和R1的阻值比较准确而稳定 就可以得到准确的比例运算关系 3 由于引入了深度电压并联负反馈 因此电路的输入电阻不高 输出电阻很低 6 3 2同相比例运算电路 图6 6同相比例运算电路 在图6 6中 输入电压ui接至同相输入端 为保证引入的是负反馈 输出电压uo 通过电阻RF仍接到反相输入端 反相输入端通过电阻R1接地 为了使集成运放反相输入端和同相输入端对地的电阻一致 R2的阻值仍为 在图6 6中 根据 虚短 和 虚断 的特点可知 故 而且 由以上二式可得 则同相比例运算电路的电压放大倍数为 当 或 时 图6 7电压跟随器 综上所述 对同相比例运算电路可以得到以下几点结论 1 同相比例运算放大电路是一个深度电压串联负反馈电路 因为u u ui 同相端口没有接地 所以不存在 虚地 现象 在选用集成运放时要考虑到其输入端可能具有较高的共模输入电压 2 电压放大倍数AuF 1 RF R1 即输出电压与输入电压的幅值成正比 且相位相同 也就是说 电路实现了同相比例运算 AuF也只取决于电阻RF和R1之比 而与集成运放的内部参数无关 所以比例运算的精度和稳定性主要取决于电阻和的精确度和稳定度 一般情况下 AuF值恒大于1 当RF 0和R1 时 AuF 1 这种电路称为电压跟随器 3 由于引入了深度电压串联负反馈 因此电路的输入电阻很高 输出电阻很低 6 3 3差分比例运算电路 减法运算电路 利用式 6 4 6 5 和叠加定理可以求得输出信号电压的电位为 图6 8差分比例运算电路 由于同相输入端的电位 净输入信号 为 代入式 6 7 即得电路输出为 当满足条件 整理上式 可以求得差分比例运算电路的输出电压和电压放大倍数为 在电路元件参数对称的条件下 差分比例运算电路的差模输入电阻为 6 3 4反相输入求和电路 图6 9反相输入求和电路 为了保证集成运放两个输入端对地的电阻平衡 同相输入端电阻的阻值R 应为 由于 虚断 因此 又因集成运放的反相输入端 虚地 故上式可写为 则输出电压为 如果电路中电阻的阻值满足关系 则上式成为 例6 1 假设图6 10所示电路中的集成运放均为理想运放 试求输出电压uo1 uo2和uo 方法点拨 电路中共有3个集成运放 解答本题的关键有两点 分清3个集成运放的电路组态 分析好A2的电路结构 1 分析3个集成运放的电路组态 A1为电压跟随器 A2为典型的同相输入比例电路 图6 10中的R3相当于RF R4相当于标准接法的R1 A3为差分输入比例电路 减法运算电路 2 运用前面介绍过的集成运放基本公式 列方程求解 解 因为 A1是电压跟随器 对A2有 同相输入比例电路 A3同相输入端的电压 A3是减法电路 应用叠加原理 可看成是 同相电路 和 反相电路 的叠加 即 将uo1和uo2的结果代入上式 可得 解毕 例6 2 设图6 11所示电路中的集成运放A1 A2和A3均为理想运放 1 分析A1 A2和A3分别组成何种运算电路 2 写出输出电压uo的表达式 解 本题电路所示为三运放构成的测量放大器原理图 测量放大器 又称精密放大器或仪用放大器 用于对传感器输出的微弱信号在共模环境下精确地放大 因而要求放大电路具有高增益 高输入电阻和高共模抑制比 测量放大器的应用非常广泛 目前已有单片集成芯片产品 图中A1 A2为对称性很好的集成运放 由于采用同相输入 构成了串联负反馈 因而输入电阻极高 A3接成减法运算电路 采用差动输入 变双端输入为单端输出 可以抑制共模信号 A1 A2构成第一级 根据集成运放线性应用的特点可知 电阻R1中由差动信号产生的电流为 R1两端电位因 虚短 各为ui1 ui2 故流经R2的电流因 虚断 也为i1 故有 A3为第二级 其输入分别为uo1 uo2 由减法运算公式可得A3的输出uo为 6 4直流稳压电源的组成及工作原理 6 4 1直流稳压电源的组成 小功率直流稳压电源通常由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路4部分组成 各部分的作用是 1 变压器 将电网220V交流电变换成合适的副边交流电压 2 整流电路 利用二极管的单向导电性将交流电变换成脉动直流电 3 滤波电路 利用电容或电感等元件的作用 将脉动直流电整形为较平滑的直流电压或电流 4 由于交流电网一般允许有的波动 或者当负载变化时输出电压也将随之变化 所以还需要稳压电路 稳压电路的作用是能自动维持直流输出电压的稳定 6 4 2滤波电路 整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分 除了在一些特殊的场合可以直接用作放大器的电源外 通常都要采取一定的措施 一方面尽量降低输出电压中的脉动成分 另一方面又要尽量保留其中的直流成分 使输出电压接近于理想的直流电压 这样的措施就是滤波 电容和电感都是基本的滤波元件 利用它们在二极管导电时储存一部分能量 然后再逐渐释放出来 从而得到比较平滑的波形 由于电容滤波电路结构简单 成本低 体积小 重量轻 因而得到广泛应用 例6 3 单相整流电容滤波电路如图6 13 a 所示 已知电网电压为220V 交流电压频率为50Hz 要求直流电压Uo为30V 负载电流为100mA 试求 1 变压器次级电压有效值U2 2 整流二极管的主要参数 3 选择滤波电容器 图6 13桥式整流 电容滤波电路 解 本题的分析涉及整流电路的知识和滤波电路的知识 在实际电路设计中有重要意义 1 变压器次级电压有效值U2的求解 由于 得 2 二极管的主要参数 在滤波电路中 为了整流管的安全 一般选择二极管的最大整流电流 二极管的最大反向电压 3 滤波电容器的选择 确定负载电阻 由于 而 若取 于是可求得 在实际使用中 若考虑电网电压 10 的波动 则电容器的耐压值为 于是可选标称值为200mF 50V的电解电容器 1 串联型稳压电路原理 ui RW RL 图6 9 串联型稳压原理 Uo 稳压原理 Ui增加 Uo增加 RW增加则Uo Ui URW下降复原 反之则反 由于RW和RL串联 所以称为串联型稳压电路 电路结构及工作原理 图6 9串联型稳压的工作原理图 调整管 取样放大管 基准电压 取样电路 稳压过程 UoUb2Ic2Ub1Ic1RceUo 输出电压调节范围 因为 所以 例题6 4 如图6 9所示 已知基准电压 三极管VT1的饱和压降 试确定 1 稳压电路输出电压的调节范围 2 变压器二次电压 解 1 根据串联型稳压电路的输出电压调节范围可求得 所以 输出电压的调节范围是9 6 16V 2 若忽略整流二极管的压降 则变压器二次电压就是稳压电路的输入电压即 又因为三极管的饱和压降 要求稳压电路输入电压至少为 又因电容滤波电路有 而其实就是 故 6 5集成稳压电路 集成稳压电路的类型很多 按其外部特性可分为三端固定式 三端可调式 多端固定式 多端可调式 正电压输出式 负电压输出式 按其型号分类又有CW78系列 CW79系列等 本节主要讨论三端固定式 三端可调式两类集成稳压器 6 5 1固定式三端集成稳压电路 1 型号固定式三端集成稳压电路常用的系列有输出正电压的W78 系列和输出负电压的W79 系列 其主要参数和外形如下 W7805输出5V 最大电流1 5A W78M05输出5V 最大电流0 5A W78L05输出5V 最大电流0 1A 图6 10三端固定稳压电路外形图 基本应用电路 Uo 12V W7812 1 2 3 C2 Ui C1 C3 0 33 F 0 1 F 100 F RL 防止输入端短路时C3反向放电损坏稳压器 抵消输入长接线的电感效应 防止自激 改善负载的瞬态响应 消除高频噪声 图6 11三端稳压电路的应用电路 一 提高输出电压电路 静态电流5 8mA 要求 输出电压UO U 图2 12三端稳压电路的应用电路 二 输出电压可调稳压电路 W78 C1 C2 UI U R1 R2 R3 R4 8 虚短 可产生小于U 的输出电压UO 图2 13三端稳压电路的应用电路 三 输出正 负电压的电路 图2 14三端稳压电路的应用电路 四 6 5 2可调式三端集成稳压器1 可调式三端集成稳压器的型号系列可调式三端集成稳压器广泛使用的产品有输出正电压的W317 W117 系列和输出负电压的W337 W137 系列 其外形和管脚排列如图6 21所示 塑料封装 该系列的输出电压在1 25 37V范围内连续可调 输出电流达1 5A a W317系列 b W337系列 图6 21可调式三端稳压器外形图 2 实用电路举例 该公式也适合W337电路的求解 根据所选电阻参数的不同 可以实现1 25 37V的可调电压输出的设计 6 6实训一 习题分析技术 本章的实用性比较强 例6 5是一道综合性较强的运算放大器的分析题 通过示范 使大家对比较复杂的电路能够理清思路 掌握化繁为简的解题技巧 例6 6选择了可以直接应用于业余无线电制作的实用电源电路设计题 大家在学习其电路设计思想的同时 又能领悟到学习基础知识的重要性 例6 5 电路如图6 23所示 各电路参数均标在图中 A1 A2和A3均为理想运放 求uo1 uo2和uo 解 方法点拨 本题是一个复杂的三运放电路 我们在解题时 可以采用层层化解的方法 分解为3个独立的电路来解决 运放A1构成典型的反相输入比例运放电路 运放A2构成典型的同相输入比例运放电路 先按线性运放的特点 分别求出它们的输出uo1和uo2 运放A3构成综合型的比例运放电路 其中和ui3组成反相输入求和电路 然后与uo2构成差分比例运放电路 我们把A1和A2的输出求出后 可以把它们从电路中分离出去 这样就只要单独处理A3了 对A3而言 有二路输入即A1和A2的输出 解题过程分述如下 1 由于理想运放输出电阻 故 可分别单独计算 其他运放不会对其产生影响 A1为反相输入比例运放电路 ui1 5v 其闭环电压放大倍数 A2为同相输入比例运放电路 其 2 运放A3的电路可简化为如图6 24所示 计算uo采用叠加定理 当uo3 6V 单独作用时 uo1和uo2均置0 电路如图6 25 a 所示 图6 25例6 5叠加定理等效电路图 等效电路图6 25 a 是一个反相输入比例运放电路 其输出为 当uo1 5V 单独作用时 ui3和uo2均置0 电路如图6 25 b 所示 所以 当uo2 4V 单独作用时 ui3和uo1均置0 电路如图6 25 c 所示 A3同相端的净输入电压为 A3是同相输入比例运放电路 其输出是 将三者叠加得 总结 由于本题中3个运放电路都工作在线性区 所以在求解电路输出信号电压时可以使用 叠加定理 例6 6 试设计一个方案将固定式三端稳压器扩展为输出可调式稳压电路 方法点拨 由于固定式三端稳压器输出电压不能调节 这就使得它的使用受到了限制 为了使电路有一定的适用范围 可对其进行扩展 本电路的设计思想是在稳压器输出端加分压电路的方法来扩展输出电压可调 根据设计思想 可以画出电路图如图6 26所示 图6 26输出电压可调的固定式三端稳压器 调压原理 因为根据分压公式有 所以有 因此 改变Rw即可调节输出电压的大小 式中Uv为稳压器的输出稳定电压 6 7实训二 实用培训技术实验一小功率可调直流稳压电源的应用一 实验目的 1 了解直流稳压电源组成 2 熟悉三端集成稳压器的使用方法 3 了解集成稳压器的性能和特点 图6 27中 Tr为工频变压器 采用桥式整流电路 C1为滤波电容 C2 C3可进一步提高输出电压的稳定性 RL为负载电阻 二极管VD1 VD2给电容C2 C3提供放电通路 以防输入端瞬时掉电时W317输出端受反向冲击电压作用造成损坏 图6 27正电压输出可调三端集成稳压器应用电路图 W317是一种正电压可调三端集成稳压器 输出电压为 三 实验内容 1 检查实验线路连接是否正确 输出电压是否正常 2 测量稳压电源输出电压范围 1 用万用表分别测量Tr次级电压U2 整流滤波输出电压Uo1 并记入表6 1中 2 调节RP 测量输出电压Uo的变化范围 记入表6