第4單元 集成運算放大器

第四單元集成運算放大器項目一集成運算放大器的基本單元電路測試項目二有源濾波器和電壓比較器測試項目三波形發(fā)生器測試1．集成運算放大器的組成和符號（一）集成運算放大器簡介圖4-1集成運算放大器項目一集成運算放大器的基本單元電路測試2．理想運算放大器的參數(shù)（1）開環(huán)電壓增益Aud→∞。此參數(shù)說明理想集成運算放大器對于差模信號的放大倍數(shù)趨于無窮大，但注意并非說明輸出電壓可以被放大到無窮大，而是說明電壓輸入端輸入的電壓趨于無窮小，在合理的范圍內(nèi)，我們可以把輸入電壓看成為0，即后面要講到的“虛短”的概念。（2）差模輸入電阻rid→∞。此參數(shù)說明對于輸入端的差模信號，由于輸入電阻趨于無窮大，所以輸入端的輸入電流趨于0，即后面要講到的“虛斷”。2．理想運算放大器的參數(shù)（3）輸出電阻rod=0。此參數(shù)說明輸出的電壓和電流完全作用在負(fù)載上面，運放本身沒有內(nèi)阻，輸出電壓、電流和負(fù)載電阻符合歐姆定律。（4）共模抑制比KCMR→∞，即沒有溫度漂移。此參數(shù)說明理想集成運算放大器對共模信號的放大倍數(shù)趨于0，即同相輸入端和反相輸入端輸入信號的相同部分，無論是0V、2V還是10V，輸出端對此都無放大作用。共模信號不影響輸出。（5）開環(huán)帶寬fH→∞。此參數(shù)說明理想集成運算放大器對信號的頻率適應(yīng)性很好，任何頻率的信號都可以正常放大，即無頻率選擇性的問題。3．理想運算放大器的兩個重要原則虛短原則：在線性區(qū)，由于理想運算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞，所以

虛斷原則：由于理想集成運算放大器的開環(huán)差模輸入電阻rid=∞，輸入偏置電流IB=0，當(dāng)然不會向外部電路索取任何電流，因此其兩個輸入端的電流都為零，集成運算放大器工作在線性區(qū)時，其兩個輸入端均無電流，就好像集成運算放大器和外部電路是斷開的，故這一特點稱為虛斷。4．常見集成運放芯片簡介圖4-3LM324引腳圖

圖4-4MC4558C引腳圖1．反相輸入比例運算電路（二）模擬運算電路例4-1在圖4-5中，如果R1為10k，要求輸出電壓，請選擇正確的Rf。同相輸入比例運算電路例4-2例4-33．比例運算放大電路的一些問題（1）平衡電阻。反相輸入比例運算電路、同相輸入比例運算電路中的R2被稱為平衡電阻。同樣，加減法電路中，都要注意平衡電阻的問題。本運算電路等使用集成運放的書在原理講解部分有的省略了平衡電阻，但在實際使用中為了電路的準(zhǔn)確性，務(wù)必使集成運放同相反相兩端的電阻相等。4．反相加法運算電路

由此可得：若，則：式中負(fù)號是因反相輸入引起的。該結(jié)果實現(xiàn)了兩信號ui1與ui2帶加權(quán)系數(shù)（分別為Rf/R1和Rf/R2）的相加。例題4-4設(shè)計一加法器，要求輸入端電阻不少于10k，同時實現(xiàn)的運算。5．同相加法運算電路

例4-51．積分電路（三）積分、微分電路當(dāng)輸入為階躍信號時，若t

=

0時刻電容兩端的電壓為零，電容將以近似恒流的方式充電，當(dāng)輸出電壓達(dá)到運放輸出的飽和值時，積分作用無法繼續(xù)，波形如圖所示。2．微分電路2．微分電路實用微分電路如圖4-15（a）所示。R1限制輸入電流，亦即限制R中的電流；VZ1、VZ2用以限制輸出電壓，防止阻塞現(xiàn)象產(chǎn)生；C為小容量電容，起相位補償作用，防止產(chǎn)生自激振蕩。若輸入為方波，且RCT/2（T為方波周期），則輸出為尖頂波，如圖4-15（b）所示。1．仿真實驗：比例運算電路的測試（四）項目實施圖4-16比例放大電路仿真測試電路圖4-17仿真結(jié)果2．實訓(xùn)：反相加法運算電路的測試1．實訓(xùn)目的（1）了解集成運放芯片的結(jié)構(gòu)與使用方法。（2）掌握利用集成運放芯片構(gòu)成求和電路的方法。2．實訓(xùn)器材0～30V雙路直流穩(wěn)壓電源1臺，數(shù)字萬用表1塊，集成運放1塊，電阻若干。3．實訓(xùn)原理與參數(shù)選擇（1）加法求和電路如圖4-18所示。（2）元器件參數(shù)選擇。R1、R2和Rf均為1k，RP為1/3k，運放為MC4558。4．實訓(xùn)內(nèi)容及步驟（略）5．實訓(xùn)報告（1）整理實訓(xùn)結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行分析。（2）總結(jié)本次實訓(xùn)的收獲與體會。（一）有源濾波器項目二有源濾波器和電壓比較器測試濾波器有以下幾個特征參數(shù)。（1）通帶：能夠通過的信號頻率范圍。（2）阻帶：阻止信號通過或衰減信號的頻率范圍。（3）截止頻率（轉(zhuǎn)折頻率）fc：通帶與阻帶分界點的頻率。（4）Aup：通帶的電壓放大倍數(shù)。（5）fL：低頻段的截止頻率；fH：高頻段的截止頻率；f0：中心頻率（CenterFrequency）。1．一階低通濾波器

2．一階高通濾波器

1．過零比較器

（二）電壓比較器過零比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖4-30所示。2．一般單限比較器

將過零比較器的一個輸入端從接地改接到一個固定電壓值Ur上，就得到電壓比較器，其電路和傳輸特性如圖4-31所示。調(diào)節(jié)Ur可方便地改變閾值。2．一般單限比較器

從輸出引一個電阻分壓支路到同相輸入端，即得到滯回比較器。（三）項目實施1．實訓(xùn)目的（1）加深對滯回比較器工作原理的認(rèn)識。（2）掌握滯回比較器的制作與調(diào)試方法。（3）了解滯回比較器的基本性能。2．實訓(xùn)器材運放MC4558、萬用表、示波器、0～30V雙路直流穩(wěn)壓電源、電阻若干、常用電子工具。3．實訓(xùn)電路及參數(shù)選擇實訓(xùn)電路如圖4-33所示。R1、R2為1kW，R3為3.3kW，R4為330W，VDZ為1N4740（UZ=10V），運放為MC4558。4．實訓(xùn)內(nèi)容及步驟（1）接好電路，并接入+UCC=+15V，Udd=?15V。（2）保持步驟（1），接入ui=Ur=0（直接接地），用萬用表測量輸出直流電壓的大小，并把結(jié)果填入表4-2中。（3）保持步驟（2），微調(diào)ui，使ui在±1V之間變化，用萬用表測量并觀察輸出直流電壓的變化情況，把結(jié)果填入表4-2中。表4-2 測試結(jié)果5．實訓(xùn)報告（1）整理實訓(xùn)結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行分析。（2）總結(jié)本次實訓(xùn)的收獲與體會。項目Uo（步驟2）輸出電平（高/低）Uo（步驟3）抗干擾能力（有/無）

（一）正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器習(xí)慣上稱正弦波振蕩器，是由放大器、正反饋、選頻電路以及限幅器組成的。正弦波振蕩器的振蕩條件包括以下兩個方面。（1）相位條件。從輸出端反饋到輸入端的反饋電壓與原輸入電壓同相，即引入正反饋。（2）振幅條件。當(dāng)閉環(huán)放大倍數(shù)大于1時，電路可以產(chǎn)生振蕩。在臨界振蕩狀態(tài)時，其閉環(huán)放大倍數(shù)等于1。項目三波形發(fā)生器測試（二）非正弦波發(fā)生器1．電路組成方波發(fā)生器電路如圖4-35（a）所示。它由滯回比較器和具有延時作用的RC反饋網(wǎng)絡(luò)組成。（三）項目實施——正弦波發(fā)生器的測試1．實訓(xùn)目的（1）了解正弦波發(fā)生器的構(gòu)成。（2）掌握調(diào)整正弦波周期和頻率的方法。2．實訓(xùn)器材函數(shù)信號發(fā)生器1臺，20M雙蹤示波器1臺，集成運放1塊，電阻電容若干。3．實訓(xùn)電路與參數(shù)選擇（1）正弦波發(fā)生器電路如圖4-32所示。（2）元器件參數(shù)選擇如下。（三）項目實施——正弦波發(fā)生器的測試R為10～100kW，Rf為20kW，R1為10kW，C為100nF，運放為MC4558。4．實訓(xùn)內(nèi)容及步驟（1）接好電路，并接入+UCC=+15V，?UCC=?15V。（2）保持步驟（1），用示波器觀察并記錄輸出電壓波形。結(jié)果表明，該正弦波周期為__________，與理論計算值__________（相同/不相同）。（三）項目實施——正弦波發(fā)生器的測試（3）保持步驟（2），使Rf為10kW，觀察輸出電壓波形的變化情況，此時__________（是/否）有正弦波。這表明當(dāng)Rf＜2R1時，電路_________