城市轨道交通电工电子技术 第2版 教案 项目七 集成运算放大器

教师课时授课计划教师所在部门：学期授课计划的授课顺序号：21授课日期授课班级课程名称：电工电子技术本次课的章节标题：7.1集成放大器概述本次授课目的与要求：1.掌握集成放大器的概念；2.掌握集成放大器的组成和参数；3.了解运算放大电路的性能指标和理想模型。新课教法选择：讲授法、多媒体教学新课难点、重点与解决措施：重点难点:概念、参数、性能指标；解决措施：演示。日常考核对象与评价：复习旧课要点：（2分钟）多级放大电路的原理。新课引入要点：（3分钟）集成电路概念。巩固新课要点：（6分钟）集成电路的概念；运算放大电路的组成与符号及性能指标。课外作业（或复习题）习题本课小结与改进措施任课教师：教研室主任审阅：年月日年月日7.1集成放大器概述一、集成运算放大器组成和主要参数目前集成运放的放大倍数可高达QUOTE107QUOTE目前集成运放的放大倍数可高达QUOTE107QUOTE集成运放工作在放大区时，其输入和输出呈线性关系，所以又称为线性集成电路。集成运算放大器的基本组成近年来，集成运放得到迅速发展，出现了各种不同类型和不同结构的集成运放，其基本结构是相同的。集成运放的电路可分为输入级、中间级、输出级和偏置电路四个基本组成部分，如图7-1所示。1）输入级输入级是提高运算放大器质量的关键部分，要求其输入电阻高，能减小零点漂移和抑制共模干扰信号，因此，输入级都采用具有恒流源的差动放大电路。它具有同相和反相两个输入端。图7-1典型集成运放的原理框图2）中间级集成运放的总增益主要由中间级提供，要求中间级有较高的电压放大倍数，因此，中间级一般采用带有恒流源负载的共射放大电路，其放大倍数可达几千倍以上。3）输出级输出级与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，能输出足够大的电压和电流，因此，输出级一般采用互补对称电路或射极输出器。4）偏置电路偏置电路为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，决定各级的静态工作点，各种恒流源电路组成。此外，集成运放还有一些辅助电路，如电平偏移电路、过流保护电路等。二、集成运算放大器的主要性能指标集成运算放大器的性能指标是评价其性能优劣的主要标志，也是选用集成运放的主要依据。因此，必须熟悉这些性能指标的含义和数值范围。1．最大差模输入电压2．最大共模输入电压3．开环差模电压放大倍数Aud4．输入失调电压Uos5．输入失调电流Ios6．输入偏置电流IB7．共模抑制比KCMRR8．差模输入电阻rid9．输出电阻rO三、集成运算放大器的理想模型理想集成运放是指将集成运放的各项技术指标理想化，以便于在分析估算应用电路的过程中，抓住事物本质，忽略次要因素，简化分析过程。理想化的条件主要有：开环差模电压放大倍数→∞；差模输入电阻；开环输出电阻QUOTEro=0QUOTE=0；共模抑制比QUOTEKCMR=∞QUOTE=∞；输入失调电压、失调电流及它们的温漂均为零；带宽足够大。由于实际集成运放的上述技术指标接近理想化的条件，因此，在分析时用理想集成运放代替实际集成运放所引起的误差并不严重，在工程上是允许的，这就大大简化了分析过程。在以后章节中，若无特别说明，均将集成运放作为理想集成运放来考虑。河北轨道运输职业技术学院教师课时授课计划教师所在部门：学期授课计划的授课顺序号：22授课日期授课班级课程名称：电工电子技术本次课的章节标题：7.2放大电路负反馈本次授课目的与要求：1.了解正反馈、负反馈、电压反馈、电流反馈等相关概念；2.掌握反馈的判别方法；3.分析负反馈对放大器性能的影响。新课教法选择：讲授法、多媒体教学新课难点、重点与解决措施：重点难点:反馈的判别方法；解决措施：举例分析。日常考核对象与评价：复习旧课要点：（2分钟）集成放大电路的组成。新课引入要点：（3分钟）集成电路概念。巩固新课要点：（6分钟）各种反馈的相关概念；反馈的判别方法与分析。课外作业（或复习题）习题本课小结与改进措施任课教师：教研室主任审阅：年月日年月日7.2放大电路负反馈一、负反馈的基本概念1.什么是负反馈将放大电路（或电路系统）输出端信号（电压或电流）的一部分（或全部）通过某种电路（该电路称为反馈电路）引回至输入端，称为反馈。引入反馈的放大电路称为闭环放大电路，如图7-5（a）所示。（a）开环方块图（b）闭环方块图 图7-5开环和闭环放大电路方块图 2.正反馈和负反馈引回的反馈信号使放大电路的净输入信号减弱，称之为负反馈，如图7-6所示。反之，使净输入信号增强，称之为正反馈，如图7-7所示。为提高放大电路的稳定性，都采用负反馈。带有负反馈的放大电路有两部分：一个是无反馈的放大电路A（单级或多级）；另一个是反馈电路F（由电阻、电容元件组成，也可以是一个电路），F把输出电路和输入电路联系起来，对放大电路的影响非常大。图7-6负反馈图7-7正反馈图7-6中，XD=XI－XF；图7-7中，XD=XI+XF。3.电压反馈和电流反馈 在放大电路的输出端，有两个物理量可供反馈：输出电压和输出电流。电压反馈：反馈信号XF取自uo并与之成正比。电流反馈：反馈信号XF取自io并与之成正比。4.串联反馈和并联反馈在放大电路的输入端，输入电路和反馈电路可以有两种连接方式：串联和并联。串联反馈：反馈信号XF电路与输入信号XI电路是以串联形式产生净输入信号XD的，列电压方程（KVL），即uI=uD+uF并联反馈：反馈信号XF电路与输入信号XI电路是以并联形式产生净输入信号XD的，列电流方程（KCL），即iI=iD+iF由以上可以看出，放大电路由四种类型：电压串联负反馈，电压并联负反馈，电流串联负反馈，电流并联负反馈。二、反馈的判别1.有无反馈的判别在图7-9（a）、（b）和（c）所示电路中，第一个电路只有信号的正向传递，没有反向的回馈，所以是无反馈电路。第二个电路有信号的正向传递，还有信号的回馈（通过RF），在运放的输入端与输入信号进行比较，为有反馈的电路。第三个电路有信号的正向传递，反馈电阻RF的左端接地，反馈回来的信号为零，为无反馈电路。（a）无反馈（b）有反馈（c）无反馈图7-9是否有反馈电路2.反馈类型的判别反馈类型的判别包括三个内容：（1）正反馈和负反馈的判别；（2）电压反馈和电流反馈的判别；（3）串联反馈和并联反馈的判别。三、负反馈对放大器性能的影响三、负反馈对放大器性能的影响1.降低了放大倍数2.提高了放大倍数的稳定性3.减小非线性失真4.改变输入、输出电阻河北轨道运输职业技术学院教师课时授课计划教师所在部门：学期授课计划的授课顺序号：23授课日期授课班级课程名称：电工电子技术本次课的章节标题：7.3集成运算放大电路的线性应用本次授课目的与要求：1.掌握比例运算放大电路的计算；2.掌握加法、减法、积分、微分电路的结构和计算。新课教法选择：讲授法、多媒体教学新课难点、重点与解决措施：重点:比例运算放大器的特点；难点：应用运放在线性区的两条重要结论，推导运算关系；解决措施：演示。日常考核对象与评价：复习旧课要点：（2分钟）反馈的定义和判别。新课引入要点：（3分钟）理想运放工作在线性区两个重要结论。巩固新课要点：（6分钟）集成运算放大器的基本运算电路。课外作业（或复习题）习题本课小结与改进措施任课教师：教研室主任审阅：年月日年月日7.3集成运算放大电路的线性应用一、比例运算放大电路比例运算电路有同相输入比例运算电路和反相输人比例运算电路两种，下面分别介两种运算电路的组成和工作原理。1.反相比例运算电路输入信号从反相输入端输入时，输出信号与输入信号相位相反，这样的集成运放电路为反相比例运算电路。如图7-12所示，同相输入端通过电阻R2接地，输入信号ui经电阻R1送到反相输入端，反馈电阻Rf跨接在输出端和反相输入端之间。图7-12反相比例运算电路2.同相比例运算电路如果输入信号从同相输入端引入，集应运放电路就成了同相比例运算电路，如图7-13所示。图7-13同相比例运算电路二、加法运算电路在反相比例运算电路的基础上增加几个输入支路，便可构成反相加法运算电路，又称为反相加法器。在同相比例运算电路的基础上增加几个输入支路，便可构成同相加法运算电路，又称为同相加法器。反向加法运算电路同相加法运算电路同相加法运算电路的多个输入信号均作用于集成运放的同向输入端，如图7-17所示。图7-17同相比例加法运算器三、减法运算电路如图7-18所示为用来实现两个电压ui1和ui2相减的减法运算电路，其两个输入端都有信号输入，实际为差动放大电路。图7-18减法运算电路四、积分运算电路在反相比例运算电路中，用电容CfQUOTECfQUOTE代替电阻Rf就构成了积分运算电路，如图7-19所示。图7-19积分运算电路五.微分运算电路微分运算是积分运算的逆运算，只需将积分电路中输入端的电阻和反馈电容互换位置就可构成微分运算电路，如图7-20所示。图7-20微分运算电路河北轨道运输职业技术学院教师课时授课计划教师所在部门：学期授课计划的授课顺序号：24授课日期授课班级课程名称：电工电子技术本次课的章节标题：7.4集成运算放大电路的非线性应用本次授课目的与要求：1.掌握过零比较器的原理特性及计算；2.掌握滞回比较器的电路结构及运算关系。新课教法选择：讲授法、多媒体教学新课难点、重点与解决措施：重点:过零比较器的原理特性；难点：过零比较器的计算；解决措施：演示推导。日常考核对象与评价：复习旧课要点：（2分钟）集成运算放大器的比例电路计算。新课引入要点：（3分钟）虚短和虚断在非线性应用中的特点。巩固新课要点：（6分钟）过零比较器和滞回比较器的基本运算电路。课外作业（或复习题）习题本课小结与改进措施任课教师：教研室主任审阅：年月日年月日7.4集成运算放大电路的非线性应用集成运放工作在开环或引入正反馈时，其输出电压和输入电压的关系是非线的。分析集成运放的非线性应用时，虚短和虚断不再适用。集成运放的非线性应用也十分广泛，本节只介绍其在电压比较器中的应用。电压比较器是指将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压产生跃变，相应输出高电平或低电平的电路。一、过零比较器过零比较器是参考电压为零的比较器，如图7-22(a)所示，其同相输入端接地，输入信号从反相端接入。当QUOTE时，QUOTE。；当QUOTE时，QUOTE。其电压传输特性如图7-22(b)所示。电压比较器输出电平发生跃变时的输入电压称为门限电压或阀值电压，用UTH表示。当输入电压为正弦波电压时，输出电压为矩形波电压，如图7-22(c)所示。图7-22过零比较器有时为了将输出电压限制在某一特定值，以与接在输出端的数字电路电平配合在比较器的输出端与“地”之间跨接一个