模块7单元3-集成运算放大器的应用

中等职业学校·电子与信息大类《电工电子技术基础与技能》模块7集成运算放大电路｜单元3集成运算放大器的应用适用：理实一体课堂·职教高考复习03反相比例放大·同相比例放大·电压比较器·虚短虚断素养园地素养园地集成运算放大器与工程素养电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）·模块7集成运算放大电路02/12素养园地·从分立到集成，运算放大器的工程智慧集成运算放大器把差分输入级、中间放大级与输出级「集成」于方寸硅片之上，是模拟电路走向微型化、高可靠的里程碑。学习反相/同相比例放大器与电压比较器，既要夯实「虚短」「虚断」的理论根基，也要在识读电路、调试参数的实践中锤炼自主学习意识与抗挫能力。本单元素养目标：①培养自主学习意识；②培养意志力与抗挫能力。学习目标三维学习目标电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）知识目标1）掌握反相比例放大器输入、输出之间的关系2）掌握同相比例放大器输入、输出之间的关系3）掌握电压比较器输入、输出之间的关系技能目标1）能识读反相比例放大器电路图2）能识读同相比例放大器电路图3）能识读电压比较器电路图素养目标1）培养自主学习意识，主动探究电路规律2）培养意志力与抗挫能力，在调试中坚持求解新知精讲新知精讲·一应用概述与「虚短」「虚断」电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）一切应用电路，都建立在集成运算放大器的两大理想特性之上▶理想集成运算放大器开环差模电压增益趋于∞，使输入端只需极小压差即可驱动输出；差模输入电阻趋于∞、输出电阻趋于0，近乎「理想受控源」；引入负反馈后工作在线性区，由外部电阻决定放大倍数。▶虚短与虚断虚短：u₊≈u₋，同、反相输入端电位几乎相等（仅线性区成立）；虚断：i₊≈i₋≈0，输入端电流近似为零；「虚短」在非线性区不成立，「虚断」在非线性区仍成立。新知精讲新知精讲·二反相比例放大器电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）图7-6输入从反相端加入，Rf构成深度电压并联负反馈▶电路特点输入信号uᵢ经R₁加到反相输入端，同相输入端经R₂接地；Rf为反馈电阻，构成电压并联负反馈；R₂为平衡电阻，取R₂=R₁//Rf。▶输入—输出关系电压放大倍数A=−Rf/R₁，即uₒ=−(Rf/R₁)·uᵢ；当Rf=R₁时A=−1，输出与输入等大反向，称「反相器」。图7-6反相比例放大器新知精讲新知精讲·三同相比例放大器电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）图7-7输入从同相端加入，Rf构成电压串联负反馈▶电路特点输入信号uᵢ从同相输入端输入，Rf为反馈电阻；形成电压串联负反馈，输入电阻高、输出电阻低；由「虚短」「虚断」可直接推导输出关系。▶输入—输出关系uₒ=(1+Rf/R₁)·uᵢ，输出与输入同相且放大；当Rf=0、R₁=∞时，uₒ=uᵢ，称「电压跟随器」。图7-7同相比例放大器新知精讲新知精讲·四电压跟随器电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）同相比例放大器的特例：Rf=0、R₁=∞，电路退化为电压跟随器▶核心关系uₒ=uᵢ，电压增益为1，输出严格跟随输入；由「虚短」得u₊=u₋=uᵢ，且输出端直接引回反相端。▶工程价值输入电阻极高、输出电阻极低，是理想的阻抗变换环节；常用于隔离缓冲、驱动负载、电平平移，避免前后级相互牵制。新知精讲新知精讲·五电压比较器电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）图7-8无反馈、开环，工作在非线性区，输出只有两种电平▶电路特点集成运放无反馈电路，处于开环状态，工作在非线性区；参考电压UREF接同相输入端，被比较电压uᵢ接反相输入端。▶两态输出当uᵢ大于UREF时，uₒ=−Uom；当uᵢ小于UREF时，uₒ=+Uom；输出仅有高低两态，实现电压大小的比较与整形。图7-8电压比较器（a电路/b传输特性）新知精讲新知精讲·六电压传输特性电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）图7-8b电压传输特性：翻转点由UREF决定▶传输特性纵轴为输出uₒ，横轴为输入uᵢ与UREF的差值；在uᵢ=UREF处输出发生翻转，呈滞回或高增益跳变。▶过零比较器当UREF=0时，uᵢ过零即翻转，称为「过零比较器」；常用于波形变换、整形与阈值检测，是接口电路常见单元。图7-8b电压传输特性曲线小结单元小结电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）1集成运放两大理想特性：线性区「虚短」（u₊≈u₋）与处处成立的「虚断」（i₊≈i₋≈0），是推导应用电路关系式的基石。2反相比例放大器uₒ=−(Rf/R₁)·uᵢ，输入从反相端加入，Rf=R₁时退化为反相器。3同相比例放大器uₒ=(1+Rf/R₁)·uᵢ，Rf=0、R₁=∞时退化为电压跟随器uₒ=uᵢ。4电压比较器开环工作于非线性区，输出仅两态：uᵢ大于UREF时uₒ=−Uom，uᵢ小于UREF时uₒ=+Uom；UREF=0时为过零比较器。应用应用与辨析·运放在身边电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）▶反相/同相放大信号调理、传感器小信号放大、音频前置放大，都用比例放大器把微弱电压按固定倍数精确放大。▶电压跟随器示波器探头、ADC前端隔离缓冲，用uₒ=uᵢ实现高阻输入、低阻输出，避免负载拉低信号。▶电压比较器过零检测、阈值报警、波形整形（正弦转方波），把连续电压变成高低两态数字式判断。⚠辨析与提醒反相与同相不可混淆：输入端口不同，输出相位相反（反相）或相同（同相），公式差一个负号。电压跟随器不是「没用」：增益为1，但完成了阻抗变换，绝不能省略Rf=0、R₁=∞的成立条件。比较器工作在非线性区：此时「虚短」不成立，不能用u₊=u₋推导，只能用两态输出规则判断。职教高考职教高考专项练习·集成运算放大器的应用电工电子技术基础与技能《电工电子技术基础与技能》（电子与信息大类）✎练习·一、填空1.反相比例放大器的输入、输出电压关系式为uₒ=______·uᵢ。2.同相比例放大器的输入、输出电压关系式为uₒ=______·uᵢ。3.电压比较器没有反馈电路，处于开环状态，工作在______区。4.当UREF=0时，电压比较器又称为______。5.同相比例放大器中，当Rf=0、R₁=∞时，电路称为______，且uₒ=______。✔练习·二、判断1.反相比例放大器的输入信号从反相输入端输入。（）2.同相比例放大器的输入信号从同相输入端输入。（）3.电压比较器的输出电压值只有两种。（）4.集成运放线性区工作时，同、反相输入端满足「虚短」。（）5.电压跟随器的电压放大倍数为1，即uₒ=uᵢ。（）§参考答案·填空1.−Rf/R₁。【解析】反相比例放大器，A=−Rf/R₁。2.1+Rf/R₁。【解析】同相比例放大