模块Ⅰ模电项目四集成运算放大电路

1、模块模电项目四集成运算放大电路模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 20世纪世纪60年代，随着电子技术的高速发展，继电子管、晶体管两代电子年代，随着电子技术的高速发展，继电子管、晶体管两代电子产品之后，人们研制出第三代电子产品产品之后，人们研制出第三代电子产品-集成电路，使电子技术的发展出现集成电路，使电子技术的发展出现了新的飞跃。集成运算放大电路在各种电子电路中被广泛应用，特别是在各种了新的飞跃。集成运算放大电路在各种电子电路中被广泛应用，特别是在各种专用、高性能电路中应用得越来越多。专用、高性能电路中应用得越来越多。【】【】模块模块模电模电

2、任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 一、集成运算放大电路概述一、集成运算放大电路概述 1.集成运放的基本结构集成运放的基本结构集成电路是利用特定的半导体制造工艺，将整个电路中的元器件制作在一块硅集成电路是利用特定的半导体制造工艺，将整个电路中的元器件制作在一块硅片上，封装后引出多个电极，构成具有特定功能的电路块。片上，封装后引出多个电极，构成具有特定功能的电路块。集成运算放大电路，简称运放，实际上是一个高增益的带有深度负反馈的多级集成运算放大电路，简称运放，实际上是一个高增益的带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。直接耦合放大电路。 （1）集成运放电路外形）集成

3、运放电路外形 集成运放有圆壳式、扁平式和双列直插式封装等，常见的集成运放电路的集成运放有圆壳式、扁平式和双列直插式封装等，常见的集成运放电路的外形如图外形如图3-3所示。所示。【相关知识相关知识 】图4-1-1 常用集成电路外形模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 （2）集成运放电路符号）集成运放电路符号 集成运放的符号如图集成运放的符号如图4-1-2所示。所示。 1）反相输入端）反相输入端 表示输出信号和输入信号相位相反，即当同相端接地，反相端输入一个正表示输出信号和输入信号相位相反，即当同相端接地，反相端输入一个正信号时，输出端输出信号为负。

4、信号时，输出端输出信号为负。 2）同相输入端）同相输入端 表示输出信号和输入信号相位相同，即当反相端接地，同相端输入一个正表示输出信号和输入信号相位相同，即当反相端接地，同相端输入一个正信号时，输出端输出信号也为正。信号时，输出端输出信号也为正。 集成运放符号的含义对应实际集成运放引脚图，如图集成运放符号的含义对应实际集成运放引脚图，如图4-1-2所示。所示。【相关知识相关知识 】图4-1-2 集成运放电路符号及引脚图模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 （3）集成运放电路组成）集成运放电路组成 通用型集成运算放大器是由输入级、中间电压放大级、输

5、出级和偏置电路通用型集成运算放大器是由输入级、中间电压放大级、输出级和偏置电路等构成。如图等构成。如图4-1-3所示。所示。 1）输入级一般由差分放大电路构成，利用差分放大电路的对称性可以减）输入级一般由差分放大电路构成，利用差分放大电路的对称性可以减小温度漂移的影响，从而提高整个电路的共模抑制比。小温度漂移的影响，从而提高整个电路的共模抑制比。 2）中间电压放大级大多采用有源共发射极放大电路，其主要作用是提高）中间电压放大级大多采用有源共发射极放大电路，其主要作用是提高电压增益。电压增益。 3）输出级常采用甲乙类互补对称功率放大电路，主要用于提高集成运算）输出级常采用甲乙类互补对称功率放大电

6、路，主要用于提高集成运算放大器的负载能力，减小大信号工作下的非线性失真。放大器的负载能力，减小大信号工作下的非线性失真。 4）偏置电路用以供给各级直流偏置电流，它由各种电流源电路组成。此）偏置电路用以供给各级直流偏置电流，它由各种电流源电路组成。此外，集成运算放大器还有一些辅助电路，如过流保护电路等。外，集成运算放大器还有一些辅助电路，如过流保护电路等。【相关知识相关知识 】图4-1-3 集成运放电路结构框图模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 （3）集成运放电路组成）集成运放电路组成 通用型集成运算放大器是由输入级、中间电压放大级、输出级和偏置

7、电路通用型集成运算放大器是由输入级、中间电压放大级、输出级和偏置电路等构成。如图等构成。如图4-1-3所示。所示。 通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器A741的简化电路，如图的简化电路，如图4-1-4所示。所示。 （4）集成运放性能指标）集成运放性能指标 1.开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数Aud Aud是指集成运放在开环状态下的差模电压放大倍数。理想条件下认为是指集成运放在开环状态下的差模电压放大倍数。理想条件下认为Aud。【相关知识相关知识 】图4-1-4 集成运放A741电路原理图模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 2.共模

8、抑制比共模抑制比KCMR KCMR等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即等于差模放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值，即 KCMR=Aud/Auc，反映了集成运放对共模信号的抑制能力。理想条件，反映了集成运放对共模信号的抑制能力。理想条件下认为下认为KCMR。 3.差模输入电阻差模输入电阻rid rid是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。反映了集成运放向信号源是指集成运放在输入差模信号时的输入电阻。反映了集成运放向信号源索取电流的大小。理想条件下可认为索取电流的大小。理想条件下可认为rid。 4.输出电阻输出电阻ro ro的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。一般认为理想集成

9、的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。一般认为理想集成运放的运放的ro0。 5.输入失调电压输入失调电压Uio Uio是指为了使输出电压为零而在输入端所加的补偿电压（去掉外接调零是指为了使输出电压为零而在输入端所加的补偿电压（去掉外接调零电位器）。理想条件下可认为电位器）。理想条件下可认为Uio0。 6.输入失调电流输入失调电流Iio Iio是指当运放输出电压为零时，两输入端静态偏置电流是指当运放输出电压为零时，两输入端静态偏置电流IP与与IN之差，即之差，即Iio=|IPIN|，反映了差动输入级两个晶体管的失配程度。，反映了差动输入级两个晶体管的失配程度。【相关知识相关知识 】模块模

10、块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 7.最大共模输入电压最大共模输入电压Uicm Uicm是指运放所能承受的最大共模输入电压。超过该值，共模抑制比是指运放所能承受的最大共模输入电压。超过该值，共模抑制比KCMR将显著下降。将显著下降。 8. 最大差模输入电压最大差模输入电压Uidm Uidm是指运放所能承受的最大差模输入电压。超过该值，会使输入对管是指运放所能承受的最大差模输入电压。超过该值，会使输入对管的的PN结击穿。结击穿。 二、集成运算放大电路的线性特性二、集成运算放大电路的线性特性 1. 集成运放的理想特性集成运放的理想特性 在实际应用中，常

11、把集成运算放大器理想特性认为：在实际应用中，常把集成运算放大器理想特性认为：Aud、Rid、Ro0、KCMR以及失调和温漂均趋于零，上限截止频率以及失调和温漂均趋于零，上限截止频率fH。 2.集成运放线性区电压传输特性集成运放线性区电压传输特性 当理想集成运放引入负反馈时，则集成运放工作在线性区。当理想集成运放引入负反馈时，则集成运放工作在线性区。 1）线性工作区特点）线性工作区特点 两输入端电位相等，即两输入端电位相等，即uP=uN。 放大电路的电压放大倍数为放大电路的电压放大倍数为 【相关知识相关知识 】oouopNpNuuAuuu模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路

12、插装与调试比例运算放大电路 在线性区，集成运放的输出电压在线性区，集成运放的输出电压uo为有限值，根据运放的理想特性为有限值，根据运放的理想特性Auo，有，有uP=uN，即集成运放同相输入端和反相输入端电位相等，相当，即集成运放同相输入端和反相输入端电位相等，相当于短路，此现象称为虚假短路，简称于短路，此现象称为虚假短路，简称”“”“虚短虚短”，如图，如图4-1-5所示所示 。 净输入电流等于零，即净输入电流等于零，即 在图在图4-1-6中，运算放大电路的净输入电流为中，运算放大电路的净输入电流为 根据运放的理想特性根据运放的理想特性ri，有，即集成运放两个输入端的净输入电流约，有，即集成运放

13、两个输入端的净输入电流约为零，好像电路断开一样，但又不是实际断路，此现象称为虚假断路，简称为零，好像电路断开一样，但又不是实际断路，此现象称为虚假断路，简称“虚断虚断”，如图，如图4-1-6所示所示 。【相关知识相关知识 】图4-1-5 集成运放的虚假短路/pNiiuuIr模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 在线性区，集成运放的输出电压在线性区，集成运放的输出电压uo为有限值，根据运放的理想特性为有限值，根据运放的理想特性Auo，有，有uP=uN，即集成运放同相输入端和反相输入端电位相等，相当，即集成运放同相输入端和反相输入端电位相等，相当于短

14、路，此现象称为虚假短路，简称于短路，此现象称为虚假短路，简称”“”“虚短虚短”，如图，如图4-1-5所示所示 。 2）输出电压与输入电压之间的关系曲线）输出电压与输入电压之间的关系曲线 uo=f(ui)称为运放的电压传输特性曲线，如图称为运放的电压传输特性曲线，如图4-1-7所示。所示。 【相关知识相关知识 】图4-1-6 集成运放的虚假断路图4-1-7 线性工作区的电压传输特性模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 三、集成运算放大电路的线性应用三、集成运算放大电路的线性应用 集成运放与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模集成运

15、放与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行运算。拟信号进行运算。 1.比例运算电路比例运算电路 （1）反相比例运算电路）反相比例运算电路 根据虚短（根据虚短（uP=uN）且）且P点接地，可得点接地，可得uP=uN=0，N点电位与地相等，点电位与地相等，所以所以N点称为点称为“虚地虚地”，如图，如图4-1-9所示。所示。 【相关知识相关知识 】图4-1-8 反相比例运算放大电路模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 三、集成运算放大电路的线性应用三、集成运算放大电路的线性应用 集成运放与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电

16、路后，能对各种模集成运放与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行运算。拟信号进行运算。 1.比例运算电路比例运算电路 （1）反相比例运算电路）反相比例运算电路 根据虚地可得输出电压与输入电压之间的关系为根据虚地可得输出电压与输入电压之间的关系为式中：式中：Rf /R1为比例系数为比例系数 由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。利用反相比例运算放大电路完成反相器设计，设计的反相器如图利用反相比例运算放大电路完成反相器设计，设计的反相器如图4-4-10所示。所示。反相器比例系数为反相器比例系数为1，即，即R1=Rf

17、构成反相器。构成反相器。 【相关知识相关知识 】图4-1-9 “虚地”示意图1foiRuuR模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 三、集成运算放大电路的线性应用三、集成运算放大电路的线性应用 集成运放与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模集成运放与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行运算。拟信号进行运算。 1.比例运算电路比例运算电路 （1）反相比例运算电路）反相比例运算电路 （2）同相比例运算电路）同相比例运算电路 【相关知识相关知识 】图4-1-10 反相器图4-1-11 同相比例运算放大电路模块

18、模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 输出电压与输入电压的关系为：输出电压与输入电压的关系为： 根据上式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相同。根据上式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相同。 利用同相比例运算放大电路完成电压跟随器设计，设计的电压跟随器如图利用同相比例运算放大电路完成电压跟随器设计，设计的电压跟随器如图4-1-12、4-1-13所示。所示。 电压跟随器可由比例系数为电压跟随器可由比例系数为1+（Rf /R1）的同相比例运算放大电路构成，）的同相比例运算放大电路构成，一种情况是一种情况是Rf短路、短路、R1开路，这样开路，这样

19、1+（Rf /R1）=1；另一种情况是；另一种情况是R1开路，开路，这样这样1+（Rf /R1）1。 由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。 【相关知识相关知识 】图4-1-12 Rf短路、R1开路时的电压跟随器1(1)foiRuuR模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 2.加减运算电路加减运算电路 （1）加法运算电路）加法运算电路 根据理想特性（）及集成运放的反相输入端为虚地，得根据理想特性（）及集成运放的反相输入端为虚地，得 【相关知识相关知识 】图4-1-13 R1开路时的电压跟随器

20、图4-1-14 加法运算电路1212()iiofuuuRRR 模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 如果取如果取R1=R2=Rf，则，则 （2）减法运算电路）减法运算电路 当外电路电阻满足当外电路电阻满足R3=Rf，R1=R2时，电路输出电压与输入电压之间的时，电路输出电压与输入电压之间的关系为关系为 【相关知识相关知识 】图4-1-15 减法运算电路12()oiiuuu 211()foiiRuuuR模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 （2）微分运算电路）微分运算电路电路输出电压与输入电压之间的关

21、系为电路输出电压与输入电压之间的关系为 四、比例运算放大电路四、比例运算放大电路 1. 集成运放集成运放LM324简介简介 LM324是由四个独立的通用型运算放大电路集成在一个芯片上所组成的是由四个独立的通用型运算放大电路集成在一个芯片上所组成的集成电路，它既可以单电源（集成电路，它既可以单电源（330V）供电，也可双电源（）供电，也可双电源（1.5V15V）供电，其静态功耗小。）供电，其静态功耗小。 【相关知识相关知识 】(a) 微分电路 (b) 输出波形图4-1-17 微分电路及输出波形1oiuu dtRC 模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电

22、路 LM324是双列直插式封装，是双列直插式封装，14个引脚，其引脚功能如图个引脚，其引脚功能如图4-1-18所示。所示。 2.电路分析电路分析 比例运算放大电路电原理图如图比例运算放大电路电原理图如图4-1-19所示。所示。 【相关知识相关知识 】图4-1-18 LM324引脚图图4-1-19 比例运算放大电路电原理图模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 （1）输入级）输入级IC1 IC1为电压跟随器，具有输入电阻大，输出电阻小的特点。为电压跟随器，具有输入电阻大，输出电阻小的特点。 （2）反相比例放大级）反相比例放大级IC2 IC2起电压放大

23、作用，电压放大倍数为起电压放大作用，电压放大倍数为10倍。倍。 （3）同相比例放大级）同相比例放大级IC3 IC3起电压放大作用，电压放大倍数为起电压放大作用，电压放大倍数为6.1倍。倍。 （4）输出级）输出级IC4 IC4为反相器，具有输出电阻小，输入与输出信号反相的特点。为反相器，具有输出电阻小，输入与输出信号反相的特点。该电路采用正、负（该电路采用正、负（6V）电源供电。）电源供电。 【相关知识相关知识】模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 一、实验环境一、实验环境 1.计算机计算机 2.Multisim 10电子仿真软件电子仿真软件 二、

24、操作步骤二、操作步骤 1.双击计算机桌面双击计算机桌面“Multisim”图标，启动图标，启动EWB软件。软件。 2.按图按图4-1-19所示电路创建仿真电路，并给元器件标识、赋值。所示电路创建仿真电路，并给元器件标识、赋值。 3.连接相关的仪器仪表（如函数信号发生器、示波器、测量探针等）。连接相关的仪器仪表（如函数信号发生器、示波器、测量探针等）。 4.将函数信号发生器将函数信号发生器“频率频率”设置为设置为“1KHZ”，输出信号幅度设置为，输出信号幅度设置为50mV。 【仿真实验仿真实验】IC1ALM324N321141IC2BLM324N561147IC3CLM324N1091148IC

25、4DLM324N121311414R1510R21kR31kR410kR51kR6750R75.1kR81kR9510R101kVCC6VVEE-6VXFG1XSC1ABExt Trig+_+_图4-1-20 比例运算放大器仿真电路模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 5.检查接线无误后，点击检查接线无误后，点击“”“”电源开关或电源开关或“”“”运行按钮接通运行按钮接通6V电源。电源。 6.双击示波器，打开示波器面板，设置合适的显示参数，以便于观察波形双击示波器，打开示波器面板，设置合适的显示参数，以便于观察波形和读取数据。和读取数据。 7.读

26、取输入、输出电压波形的读取输入、输出电压波形的“峰峰-峰峰”值值Ui（P-P）和）和Uo（P-P），计），计算每级的电压放大倍数，将结果填入表算每级的电压放大倍数，将结果填入表4-1-1中。中。 8.分别观察分别观察IC1、IC2、IC3、IC4的输出波形，观察输入、输出的相位的输出波形，观察输入、输出的相位变化，将结果填入表变化，将结果填入表4-1-1中。中。 【仿真实验仿真实验】图4-1-21 函数信号发生器设置模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 表表4-1-1 测试记录测试记录 【仿真实验仿真实验】图4-1-22 示波器设置测量电路测量电

27、路输入电压输入电压输出电压输出电压电压放大倍数电压放大倍数相位差相位差输入级IC1反相比例放大级IC2同相比例放大级IC3输出级IC4模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 一、插装电路一、插装电路 1.实训器材实训器材 1）常用电子组装工具。）常用电子组装工具。 2）MF47型万用表或型万用表或DT890型数字万用表。型数字万用表。 3）DZX-2型电子学综合实验装置。型电子学综合实验装置。 4）YB4328型双踪示波器。型双踪示波器。 5）配套电子元器件见表）配套电子元器件见表4-1-2。 表表4-1-2 配套明细表配套明细表 【插装调试插装调试】序号序号代号代号名称型号名称型号规格规格数量数量1R1金属膜电阻器51012R2金属膜电阻器1K13R3金属膜电阻器1K14R4金属膜电阻器10K1模块模块模电模电 任务一任务一 插装与调试比例运算放大电路插装与调试比例运算放大电路 【插装调试插装调试】序号序号代号代号名称型号名称型号规格规格数量数量5R5金属膜电阻器