模拟电子技术项目 课件 项目3、4 集成运算放大器与负反馈放大器的认识与分析、集成运算放大器的应用

模拟电子技术项目三-集成运算放大器与负反馈放大器的认识与分析目录学习重点学习难点理想集成运放的“虚短”与“虚断”概念集成运放的两种工作状态及其应用负反馈的四种组态及其判别方法深度负反馈下的近似计算“虚短”与“虚断”的抽象理解与灵活运用负反馈组态的综合判别记忆负反馈如何改变电阻性质容易出错集成运放的非线性应用目录任务一：使用集成运算放大器制作音频信号发生器任务二：分析和判断带有负反馈环节的放大器目录知识目标技能目标掌握集成运算放大器的结构与特性理解集成运放的两种工作状态掌握负反馈放大电路的理论了解集成运放的使用与保护具备集成运放典型应用电路的分析能力具备负反馈电路的工程分析与判别能力思政目标

培养科技报国的家国情怀与自主创新意识

培养严谨求实的工匠精神任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器运算放大器是一种高电压放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合式多级放大电路，它最初主要用在模拟计算机上进行数学运算，故得其名。集成运算放大器是利用集成电路的制造工艺，将运算放大器的所有元件都制作在同一块硅片上，再封装起来而得到的器件。随着电子技术的飞速发展，集成运放的性能不断提高，其应用领域已大大超出数学运算的范畴，它已成为模拟电子技术领域中的核心器件集成运算放大器的型号一般由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中C表示符合国家标准，F表示线性放大器，阿拉伯数字表示器件的系列和品种代号任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器(一)集成运放电路的组成及其基本特性任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器(二)集成运放的主要参数1.开环差模电压放大倍数Aod2.最大输出电压Uopp3.差模输入电阻rid4.输出电阻ro5.共模抑制比KCMRR6.-3dB带宽fh7.输入失调电压Uio8.静态功耗PD任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器(三)理想集成运放的两个工作区理想集成运放是将集成运放的各项参数理想化开环差模电压放大倍数差模输入电阻共模抑制比输出电阻-3dB带宽

任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器理想集成运放工作在线性区-两端输入电位相等理想集成运放有两个工作区:线性区和非线性区,当理想集成运放工作在线性区时，理想集成运放的同向输入端与反向输入端的电位相等，好像这两个输入端短路一样，这种现象称为虚短理想集成运放工作在线性区-输入电流等于零集成运放的同相输入端和反相输入端的输入电流都等于零,好像这两个输入端内部被断开一样,这种现象称为虚断任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器理想集成运放工作在非线性区(1)输出电压uo具有两值性(2)输入电流等于零任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器集成运算放大器的发展和应用-集成运放的发展集成运放在近些年的发展十分迅速。第一代集成运放是通用型产品，经历了多年发展，各项技术指标不断提高。第二代集成运放以ϰA741(我国的F007或5G24)为代表，它具有很高的开环增益，其电路中设有短路保护，至今仍在应用。第三代集成运放以AD508(我国的4E325)为代表，其特点是在失调电压、失调电流、开环增益、共模抑制比等参数上都有明显的改善。第四代以HA2900为代表，它的特点是制造工艺达到了大规模集成电路的水平，输入级采用绝缘栅型场效应管，输入电阻在100MQ以上，而且采取了调制和解调措施，成为自稳零(无须外加调整元件就可使静态输出为零)运算放大器，使温漂进一步降低。除通用型集成运放外，还有专门为适应某些特殊需要而设计的专用型集成运放，它们往往在某些单项指标方面达到比较高的水平，以满足特殊条件下的使用需求。任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器使用集成运放需要注意的问题1.调零（案例见图1）2.消除自激振荡3.外加电源极性保护（案例见图2）图1图2任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器使用集成运放需要注意的问题4.输入保护任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器使用集成运放需要注意的问题5.输出保护任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器(四)集成运放的应用1.在信号运算电路中的应用集成运放工作在线性区时，可实现反相比例运算、同相比例运算、加法运算、减法运算、对数运算、指数运算、积分运算、微分运算、乘法运算、除法运算及它们的复合运算。2.在信号处理电路中的应用在信号处理方面，集成运放可用来构成有源滤波器、采样-保持电路、电压比较器等。3.在波形产生电路中的应用集成运放作为波形发生器中的主要部件，可以用来产生各种波形信号，也可以组成正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等波形产生电路。任务一-使用集成运算放大器制作音频信号发生器国之重器，受制于人-从“0”到“1”的攻坚克难举国体制攻坚介绍国家通过“02专项”等重大科技项目，集中力量办大事，系统性推进集成电路产业的技术攻关。在制造、设计、封测等关键环节取得了一系列重大突破。01企业突围之路以华为海思为例，讲述其在手机SoC、基站芯片等领域的崛起之路。面对外部压力，海思从“备胎”转正，实现了产品的快速迭代与商用，成为科技自立自强的标杆。02产学研深度融合强调高校、科研院所与企业在芯片研发中的协同作用。科研机构在前沿基础理论和关键材料上探索，企业则负责产品定义与工程化落地，形成良性互动的创新生态。03任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器(一)反馈放大电路的定义和组成1.反馈放大电路的定义在电子系统中，把放大电路的输出量(输出电压或输出电流)的一部分或全部通过某些元件和网路(称为反馈网络)反送到输入回路，从而构成一个闭环系统，使放大电路的输入量不仅受输入信号的控制，还受输出量的影响，这种连接方式称为反馈。引人了反馈的放大电路称为反馈放大电路，也称为闭环放大电路;未引人反馈的放大电路，则称为开环放大电路。任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器中国运放芯片的国产化之路起步阶段的艰辛新中国成立初期，我国电子工业基础薄弱。第一代国产运放如F001，在性能上与国外同期产品差距巨大，但它的诞生标志着我国在模拟集成电路领域迈出了从“0”到“1”的关键一步。01追赶与突破经过几代人的努力，以圣邦微电子、思瑞浦等为代表的企业，通过引进消化再创新，逐步在通用运放领域实现了对进口产品的替代，部分高端产品性能已达国际先进水平。02启示与思考国产运放的发展史，是一部自主创新的奋斗史。它告诉我们，核心技术买不来、讨不来，只有通过持之以恒的基础研究和不畏艰难的工程攻关，才能掌握发展的主动权。03任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器(二)闭环增益方程1.开环放大倍数放大电路的开环放大倍数A为2.反馈系数放大电路的反馈系数Ḟ为3.闭环放大倍数放大电路的闭环放大倍数Af为4.闭环增益方程因为净输入信号

为推理可得：这是一个十分重要的关系式，称为闭环增益方程，它是分析反馈放大电路的基本关系式。如果放大电路工作在中频范围,并且反馈网络是纯电阻性,公式可表示为任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器正反馈放大电路的类型及其判别方法单级反馈放大电路任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器正反馈放大电路的类型及其判别方法多级反馈放大电路任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器交流负反馈的类型及其判别方法按照反馈网络在输出端的采样不同，反馈可分为电压反馈和电流反馈。如果反馈采样是输出电压，则为电压反馈;如果反馈采样是输出电流，则为电流反馈。区分电压反馈和电流反馈可采用负载短路法。假设把输出负载短路，即u。=0.若反馈信号因此而消失，则为电压反馈;否则为电流反馈。任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器电压反馈和电流反馈实例分析任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器串联反馈和并联反馈实例分析任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器电压串联负反馈

任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器电压并联负反馈电流并联负反馈任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器负反馈对放大电路性能的影响1.交流负反馈可以提高放大器增益的稳定性电压负反馈使电路的输出电压保持稳定电流负反馈使电路的输出电流保持稳定2.交流负反馈可以减小对信号放大的非线性失真3.交流负反馈可以抑制电路内部产生的干扰和噪声4.交流负反馈可以扩展放大器的通频带5.交流负反馈可改变放大电路的输入电阻和输出电阻任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器负反馈对放大电路性能的影响不同组态的负反馈可以改变放大器的输入电阻和输出电阻，以实现电路的阻抗匹配和提高放大器的带负载能力。

1.串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。2.电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大。任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器引入交流负反馈的注意事项(1)要稳定直流量(如静态工作点)，应引入直流负反馈。(2)要改善放大电路的动态(交流)性能(如稳定放大倍数、扩展通频带、减小非线性失真等)，应引入交流负反馈。(3)要稳定输出电压、减小输出电阻、提高带负载能力，应引入电压负反馈;要稳定输出电流、增大输出电阻，应引入电流负反馈。(4)要增大输入电阻，应引入串联负反馈;要减小输入电阻，应引入并联负反馈。(5)要得到一个电压控制的电压源并获得良好的电压放大电路，应选用电压串联负反馈。(6)要得到一个电流控制的电流源并获得良好的电流放大电路，应选用电流并联负反馈。(7)要得到一个电流控制的电压源并获得良好的电流-电压转换电路，应选用电压并联负反馈。(8)要得到一个电压控制的电流源并获得良好的电压-电流转换电路，应选用电流串联负反馈任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器深度负反馈放大电路的定义和参数当反馈深度|1+AF|≫1时,负反馈放大电路的放大倍数为一般情况下当|1+AF|≥10时,即可视为深度负反馈，该电路成为深度负反馈放大电路。深度负反馈放大电路参数1.放大倍数Af2.闭环输入电阻和输出电阻任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器深度负反馈放大电路带来的问题负反馈能改善放大电路的性能，且反馈越深，放大电路的性能越好。但是反馈过深可能会造成当输入信号为零时，放大电路仍有一定幅度、一定频率的信号输出现象，这种现象称为自激振荡。自激振荡使放大电路工作不稳定。消除自激振荡的常用方法消除自激振荡的常用方法是在电路中增加适当的阻容元件，改变电路的频率特性，破坏其自激振荡条件，使电路工作在稳定状态。(1)电容补偿法在放大电路中选择时间常数最大的回路，对地并联一个小电容C，就可以破坏其自激振荡条件。这个方法简单易行，如图3-30所示，却使放大器的通频带变窄了。(2)RC补偿法RC补偿法采用电阻和电容串联网络来取代电容补偿法中的电容C，如图所示，其目的是使放大器的通频带宽度较电容补偿法有所改善。任务二-分析和判断带有负反馈环节的放大器电容补偿法RC补偿法谢谢观看THANKS主讲人：模拟电子技术项目四-集成运算放大器的应用目录学习重点学习难点基本数学运算电路的实现比例运算电路的分析与计算电压比较器的工作原理实际工程中的典型应用电路积分与微分电路的动态过程分析迟滞电压比较器（滞回比较器）的阈值计算测量放大器（三运放电路）的增益推导有源滤波器的频率特性理解目录任务一：用集成运算放大器制作过热监测保护电路目录知识目标技能目标掌握理想运放的两个工作区域掌握基本运算电路的原理理解有源滤波器的工作机制电路设计与参数选取能力仿真与调试能力思政目标

树立自主创新与科技报国意识

培养严谨求实的实验态度任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算放大器最早应用于模拟信号的运算，至今信号运算仍是集成运放的一个重要而基本的应用。在各种运算电路中，输出和输人的模拟信号之间要实现一定的数学运算关系。因此，运算电路中的集成运放必须工作在线性区。理想运放工作在线性区时有两个特点，即虚短和虚断，它们是分析运算电路的基本出发点。比例运算电路-反相比例运算电路反相比例运算电路的特性：该电路是一个深度电压并联负反馈电路，反相输入端因“虚地”现象，其共模输入电压极小。电压放大倍数公式与特点：放大倍数

，输出与输入反相。该倍数仅取决于电阻

RfRf​

与

R1R1​

的比值，与运放参数无关，因此运算精准且稳定。比例系数的可调性：通过调整

RfRf​

和

R1R1​

的阻值，可实现放大（

∣Auf∣>1∣Auf​∣>1

）或衰减（

∣Auf∣<1∣Auf​∣<1

）。当两者阻值相等时，电路变为反相器（单位增益），用于信号变号。电路的输入输出阻抗：由于引入了电压并联负反馈，该电路的输入电阻不高，输出电阻很低。平衡电阻

R2R2​

的作用与计算：为了使差动放大电路参数对称，消除静态基流引起的误差电压，需在同相输入端接入平衡电阻

R2R2​

，其值应为

R2=R1//RfR2​=R1​//Rf​

。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路比例运算电路-同相比例运算电路同相比例运算电路又称为同相放大器，其电路如图所示。在电路中电阻R1与R2引入深度电压串联负反馈，以保证集成运放工作在线性区。R2是平衡电阻，应保证R2=R1//R2。

任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路比例运算电路-同相比例运算电路同相比例运算电路又称为同相放大器，其电路如图所示。在电路中电阻R1与R2引入深度电压串联负反馈，以保证集成运放工作在线性区。R2是平衡电阻，应保证R2=R1//R2。

同相比例运算电路电压跟随器任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路奋楫笃行，自主之路-自主技术攻关案例：航晶HJGPA85攻克“不可能”的任务面对国外技术封锁，航晶科研团队迎难而上，成功研制出全国产化的HJGPA85运算放大器，实现了对进口某型高端运放的pin-to-pin替代。01性能达先进水平该芯片具备超高供电电压（±150V）、极高压摆率（100V/μs）和大输出电流能力，综合性能达到当时国际先进水平，填补了国内空白。02赋能关键领域这款芯片的成功应用，使得我国在医疗电子、工业自动化、航空航天测试等高精尖领域，获得了更稳定、更可靠的供应链保障，不再受制于人。03精神内核体现了“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的航天精神，是科技报国、勇于担当的生动体现。04任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路加法运算电路如果在集成运放的反相输入端增加若干输入电路，则构成了反相加法运算电路，加法运算电路的结果与集成运放的参数无关，只要各个电阻足够精确，就可以保证加法运算的精确度和稳定性。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路减法运算电路在集成运放的同相输入端和反相输入端同时加入两个信号，再使集成运放工作在线性区，就可以实现两个信号的减法运算如图1所示。在实际中常常采用二级反相比例运算电路来实现两个甚至多个量的减法运算,其电路如图2所示。图1图2任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路积分和微分运算电路-积分运算电路在反相比例运算电路中，用电容Cf代替Rf;作为反馈元件，引人电压并联负反馈，就成为积分运算电路，如图所示。当ui

为阶跃电压时,如图所示,输出电压为图2任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路积分和微分运算电路-微分运算电路微分是积分的逆运算，微分运算电路的输出电压与输入电压呈微分关系，基本微分运算电路如图所示。反馈电阻Rf引人并联电压负反馈，以保证集成运放工作在线性区。由理想集成运放工作于线性区的虚短和虚断特点，并考虑到集成运放的“一”端虚地，得可见输出电压uo与输入电压ui对时间的微分成正比。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-测量放大器在自动控制和非电量测量等系统中,常用各种传感器将非电量(如温度、应变、压力等)的变化转变为电压信号,然后再输入系统。电信号的变化量通常很小(一般只有几毫伏至几十毫伏),这就需要将电信号加以放大。最为实用的测量放大器放大倍数放大器的输入电阻为任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-滤波器滤波器的作用是允许信号中某些频率的信号通过,而将其他频率的信号加以衰减,使其不能通过。1.无源滤波器利用电阻、电容等无源器件构成的简单滤波电路称为无源滤波器无源滤波器主要存在以下缺点:(1)电路的增益小，最大仅为1。(2)带负载能力差。如在无源滤波器的输出端接上一个负载电阻RL，如图中的虚线所示，则其截止频率和增益均随RL的变化而变化。为了克服上述缺点，可将RC无源网络接至集成运放的输人端，组成有源滤波器。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-滤波器滤波器的作用是允许信号中某些频率的信号通过,而将其他频率的信号加以衰减,使其不能通过。2.有源滤波器(1)有源低通滤波器如需改变有源低通滤波器的截止频率,调整R和C的大小即可。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-滤波器滤波器的作用是允许信号中某些频率的信号通过,而将其他频率的信号加以衰减,使其不能通过。2.有源滤波器(2）有源高通滤波器与有源低通滤波器相似，一阶电路在低频处衰减太慢，为此可再增加一级RC网络，组成二阶有源高通滤波器，使其实际幅频特性更接近于理想幅频特性。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-滤波器滤波器的作用是允许信号中某些频率的信号通过,而将其他频率的信号加以衰减,使其不能通过。2.有源滤波器(3)有源带通滤波器和有源带阻滤波器将有源低通滤波器和有源高通滤波器进行不同的组合,就可获得有源带通滤波器和有源带阻滤波器。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-精密整流电路1.精密半波整流电路由于PN结死区电压的存在,当信号比较微弱时,单纯用二极管组成的整流电路无法输出信号。将二极管和集成运放结合起来,组成精密整流电路,以实现对微弱信号的整流。这种整流电路在信号检测和自动化控制系统中有着广泛的应用。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-精密整流电路2.精密全波整流电路当输人信号是很微弱的且随时间缓慢变化的直流信号时，精密整流电路同样有输出，输出信号是按比例反相放大的直流信号，我们把这种电路称为折点函数发生器。用几个折点函数发生器可以将变化非常缓慢的直流信号变成模拟曲线，以反映信号的变化规律，这是在实际工程和实验分析中常用的方法。任务一-用集成运算放大器制作过热监测保护电路运算电路在实际工程中的应用-电压比较器基本电压比较器让集成运放工作在开环状态，由于其开环增益很大，这时即使在两个输人端输入非常微小的差值信号，也会使输出达到饱和状态，即集成运放已经工作在非线性区。利用集成运放工作在非线性区的特性可制作电压比较器，对模拟信