《電子電工技術》項目九 集成運放

任務一集成運算放大器簡介一、

集成放大器概述二、集成運放的基本組成三、集成運放的主要參數(shù)

集成電路:

把整個電路的各個元件以及相互之間的聯(lián)接同時制造在一塊半導體芯片上，組成一個不可分的整體。

集成電路特點：體積小、外部接線少、功耗低、可靠性高、靈活性高、價格低。

集成運算放大器：具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。用于模擬運算、信號處理、測量技術、自動控制等領域。一、集成放大器概述二、集成運放的基本組成輸入級：差動放大器，減少零點漂移、提高輸入阻抗。輸出級：射極輸出器或互補對稱功率放大器，提高帶載能力。偏置電路：為各級提供穩(wěn)定、合適的靜態(tài)工作點。輸出端偏置電路輸入級中間級輸出級輸入端中間級：電壓放大。集成電路的幾種外形

集成運放的外形有雙列直插式、扁平式和圓殼式3種，如圖所示。

常見集成運算放大器的外形F007外形引線連接圖運算放大器的符號反相輸入端同相輸入端輸出端+–++–+u+u–uoLM741運放外型和管腳LM741反相輸入端同相輸入端輸出端+–+6237415+15V-15V10k

1k

調零：當輸入信號為零時，輸出為零。8為空腳左圖所示為μA741集成運算放大器的芯片實物外形圖

從實物外形圖上可看出，μA741集成運放有8個管腳，管腳的排列圖、電路圖符號如下：1μA7412876543空腳正電源端輸出端調零端調零端反相輸入端同相輸入端負電源端集成運放的電路圖符號∞＋＋－U0U+U-同相輸入反相輸入∞＋＋－+12V輸出6513724-12V調零電位器外部接線圖三、

集成運放的主要參數(shù)2.

輸入失調電壓UIO使UO=0，輸入端施加的補償電壓幾毫伏3.

輸入失調電流

IIOUO=0時，輸入級兩輸入端的靜態(tài)電流之差。1nA

0.1

A1.

開環(huán)差模電壓增益Aud104

1074.差模輸入電阻rid輸出電阻ro幾百千歐

幾兆歐幾十歐

幾百歐5.共模抑制比

KCMR>80dB6.

最大差模輸入電壓UIdmax共模輸入UIC過大，K

CMR下降。當UId過大時，反偏的PN結可能因反壓過大而被擊穿。LM741為

36V7.最大共模輸入電壓UICmax9.

最大輸出電壓幅度UOPP如電源電壓

15V，UOPP為

13

14VLM741為

16V兩輸入端間允許加的最大差模輸入電壓。能使輸出電壓和輸入電壓保持不失真關系的最大輸出電壓。8.靜態(tài)功耗PCO幾十毫瓦任務二集成運算放大器的應用一、集成運放的線性應用二、集成電路的非線性應用理想化的主要條件：

開環(huán)差模電壓增益

開環(huán)差模輸入電阻開環(huán)輸出電阻共模抑制比

在分析運算放大器的電路時，一般把運算放大器看成理想元件。一、集成運放的線性應用+–++–+u+u–uo

開環(huán)共模輸入電阻1、理想集成運放注意：工作在飽和區(qū)的理想運放時，當時，工作在線性區(qū)的理想運放

相當于兩輸入端之間短路,但又未真正短路，故稱“虛短”。

相當于兩輸入端之間斷路，但又未真正斷路，故稱“虛斷”。2.i+=i–

=01.u+=u–,而uo是有限值,運放開環(huán)輸入電阻

由于故從式,可知+–++–+u+u–uo（虛短）（虛斷）i–i+

運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關系曲線稱為傳輸特性。實際運放電壓傳輸特性uooUO+UO-線性工作區(qū)正飽和區(qū)負飽和區(qū)+–++–+u+u–uo很大UO-

、UO+為負、正飽和電壓。當很小時，運放工作在線性區(qū)。2、集成運放的傳輸特性理想運放傳輸特性uooUO+UO-正飽和區(qū)負飽和區(qū)+–++–+u+u–uo理想運放時，當

為了讓運放工作在線性區(qū)，必須加負反饋，限制其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。1、比例運算電路（1）反相比例運算電路虛斷虛地平衡電阻輸入電阻:若則iFR1Rfi1uIR

+–+–++–+uou+u-（2）同相比例運算電路

可見同相比例運算電路的電壓放大倍數(shù)必定大于1，而且僅由外接電阻的數(shù)值來決定，與運放本身的參數(shù)無關。R1iFRfi1uIR2+–++–+uou+u-R1iFRfi1uIR2+–++–+uou+u-上式表明：輸出電壓與輸入電壓之間也存在著比例運算關系，且輸出電壓與輸入電壓相位相同。當R1=

時跟隨器當R1=

，Rf=0時RfuIR2+–++–+uouI+–++–+uo同相比例運算主要特點：（1）輸入與輸出信號同相。

（2）輸入電阻大，輸出電阻小。（3）存在共模輸入信號，對KCMR的要求高。例:如圖所示電路，計算輸出電壓uo

的大小。+–+–++–+uou+解：該電路是一電壓跟隨器。u+=7.5V輸出電壓uo=7.5V2、比例運算電路

在集成運放的反相輸入端增加若干個輸入信號組成的電路，就構成了反相加法運算電路，如圖所示。iFR1Rfi1uI1R

uI2+–+–++–+uou+u-i2若Rf=R1=R2

則uO=

(uI1+uI2)R'

=R1//R2//Rf平衡電阻3、減法運算電路

在集成運放的兩個輸入端都加上輸入信號，就構成了減法運算電路，如圖所示。iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+–+–++–+uou+u-整理可得當時，和當時，則得

輸出電壓與輸入電壓的差值成正比例，從而能進行減法運算。

將要求實現(xiàn)的與上式比較可得例:

若給定反饋電阻RF=10k，試設計實現(xiàn)的運算電路。4.積分電路iFR1Cfi1uIR

+–+–++–+uou+u-當uI為階躍電壓時，則uo0tuI0tuo隨時間線性下降，最后達到負飽和值。例:利用積分電路將方波變成三角波。10k

10nF

時間常數(shù)

=

R1Cf=0.1ms設uC(0)=0=

5VuI/Vt/ms0.10.30.55

5uO/vt/ms=5V5

5R1CfuIR

+–+–++–+uo二、集成運放的非線性應用

當運放工作于開環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)時，運放工作在非線性區(qū)。

運放的非線性特性在自動控制系統(tǒng)和數(shù)字技術中有廣泛應用。1.

電壓比較器

電壓比較器的功能是將輸入的模擬信號與一個參考電壓進行比較，當兩者相等時產生躍變，由此判別輸入信號的大小和極性。R1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–1.

電壓比較器ui:輸入電壓UREF:參考電壓當ui>UREF時，uO=–UOMui

UREF時，uo=+UOMui

=UREF時，uO

發(fā)生躍變uooUOM–UOMUREF電壓傳輸特性當參考電壓UREF=0時，稱為過零比較器。若ui為正弦波，畫出uo的波形。uootUOM–UOMR1R2ui+–+–++–+uo+–UREF+–uooUOM–UOMUREFotUREF=0UREF=1Vot1VuootUOM–UOM

在輸出端與反相輸入端接一個雙向穩(wěn)壓管，即可把輸出電壓限制在某一特定值。限幅電壓比較器UZ–UZuooR1R2ui+–+–++–+uo+–DZ電壓傳輸特性當ui>0時，uO=–UZui

0時，uO=+UZ2.

滯回比較器

滯回比較器是一種能判斷出兩種狀態(tài)的開關電路，廣泛應用于自動控制電路中。uooUOM–UOMR1R2uI+–+–++–+uoUREFRfu+u-u+滯回特性u+：上門限電平：下門限電平：回差電壓可改變參考電壓改變門限電平（改變R2Rf改變回差）工作于線性區(qū)的集成運放有哪兩個重要特性？

試分析集成運放構成電壓比較器的電路結構與一般線性運算電路的結構有什么區(qū)別？如何判斷之？

答案在書中找任務三放大電路中的反饋一、

反饋的基本概念二、反饋的類型三、負反饋的四種基本形式四、反饋的判斷反饋

—

將電路的輸出量(電壓或電流)的部分或全部，通過一定的元件，以一定的方式回送到輸入回路，以改善放大電路的某些性能。2.

信號的兩種流向正向傳輸：輸入輸出反向傳輸：輸出輸入

—

開環(huán)—

閉環(huán)輸入輸出

放大電路

反饋網絡一、

反饋的基本概念正反饋：反饋信號消弱原輸入信號，使輸出量減小。負反饋：反饋信號增強原輸入信號，使輸出量增大。+–比較環(huán)節(jié)基本放大電路F反饋網絡負反饋的組成框圖A

—輸入信號

—凈輸入信號—反饋信號—輸出信號凈輸入信號反饋信號消弱了凈輸入信號，為負反饋。則若同相，二、反饋的類型1、反饋極性與判斷據(jù)反饋極性的不同，將反饋分為正反饋和負反饋。

采用瞬時極性法判斷:反饋信號使凈輸入信號減小的，是負反饋。

設某一瞬時ui為正，根據(jù)電路情況推出此時反饋信號的正負。判斷正、負反饋2、直流反饋與交流反饋

據(jù)反饋信號的交直流性質，分直流反饋和交流反饋。

直流反饋的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，如具有旁路電容的共射極放大電路的射極電阻。而射極輸出器中的射極電阻，除起直流反饋作用外，也起交流反饋作用。電壓反饋

—

反饋信號取自輸出電壓的部分或全部。電流反饋

—

反饋信號取自輸出電流。據(jù)反饋電路從輸出端的取樣方式不同分為：AF電壓反饋電流反饋FA3、電壓反饋與電流反饋

串聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號以電壓相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。并聯(lián)反饋：反饋信號與輸入信號以電流相加減的形式在輸入端出現(xiàn)。AFAF負反饋的四種基本形式電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋。據(jù)反饋信號與放大器輸入信號連接方式不同分為：串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋。4、串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋

三、負反饋的四種基本形式四種反饋形式可組合成下列四種類型的負反饋：

電壓串聯(lián)負反饋；電壓并聯(lián)負反饋；

電流串聯(lián)負反饋；電流并聯(lián)負反饋。1、電壓串聯(lián)負反饋

將輸入信號交流短路后，若反饋信號消失了，則為并聯(lián)反饋；否則為串聯(lián)反饋。2、電壓并聯(lián)負反饋

3、電流串聯(lián)負反饋

常用“輸出短路法”，即假設負載短路（RL=0），使輸出電壓uo=0，看反饋信號是否還存在。若反饋信號不存在了，說明是電流負反饋。

將輸入信號交流短路后，若反饋信號消失了，則為并聯(lián)反饋；否則為串聯(lián)反饋。4、電流并聯(lián)負反饋

判斷是電壓反饋還是電流反饋時，常用“輸出短路法”，即假設負載短路（RL=0），使輸出電壓uo=0，看反饋信號是否還存在。若存在，則說明反饋信號與輸出電壓成比例，是電壓負反饋。輸入回路輸出回路四、反饋的判斷+C1RS+ui–RERB+VCCC2RL+us–+uo–++uBE

–

RE介于輸入輸出回路，有反饋。反饋使

uBE

減小，為負反饋;+uf–反饋取自輸出端為電壓反饋;反饋信號與輸入信號在不同輸入端,為串聯(lián)反饋。電壓串聯(lián)負反饋

電流串聯(lián)負反饋例:

判斷反饋類型。RE介于輸入輸出回路，有反饋。反饋使

uBE減小，為負反饋;反饋不是取自輸出端，為電流反饋;反饋信號與輸入信號在不同輸入端,為串聯(lián)反饋。+us

+VCCRCC1C2RLRERB1RB2RS+uo

+ui

uBE

++uf

iE例:

判斷反饋類型。Rf為輸入回路和輸出回路的公共電阻，故有反饋。RL=0，無反饋，故為電壓反饋。

反饋信號與輸入信號都加在了反相輸入端，故為并聯(lián)反饋。電壓并聯(lián)負反饋

反饋使凈輸入電流

減小，為負反饋。R1RfR

+–+–++–+RL+–列表說明放大電路的反饋類型、判別方法和對放大電路性能的影響。

什么是反饋？直流負反饋的作用是什么？交流負反饋對放大器性能有什么影響？

任務四運算放大器的基本運算電路（一）一、

實驗目的二、

實驗設備三、

實驗說明四、

實驗內容及步驟五、

實驗報告1.了解運算放大器的基本使用方法。2.應用集成運放構成的基本運算電路，測定它們的運算關系。一、

實驗目的1.實驗箱（臺）。2.數(shù)字萬用表。；

二、實驗設備三、實驗說明運算放大器有三種連接方式：反相、同相和差動輸入，本實驗主要做比例運算。四、實驗內容及步驟1．調零：按接線，接通電源后，調節(jié)調零電位器RP，使輸出V0=0（小于±10mV），運放調零后，在后面的實驗中均不用調零了。2．反相比例運算：電路如圖所示，根據(jù)電路參數(shù)計算Av=VO/VI=？按表給定的直流電壓VI值計算和測量對應的V0值，把結果記入表中。反相比例運算

輸入直流電壓VI（V）0.30.50.71.01.11.2理論計算值V0（V）

實際測量值V0（V）

實際放大倍數(shù)Av

3.同相比例運算：電路圖所示：根據(jù)電路參數(shù),按給定的VI值計算和測量出V0值,把計算結果和實測數(shù)據(jù)填入表中。

同相比例運算

輸入直流電壓VI（V）0.