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1、江 西 省 电电 子 信 息 技 师师 学 院项目4 温度指示器的制作与 调试每当季节更替，气候变化时，令人想回忆 过去的往事。利用集成运放的应用电路，制作 一款温度指示器，随时陪伴在你的身边，让你 觉得总有“人”关心你，提示你“寒”“暑”间的温度 变化。其实，时至今日，集成运放在各种放大 器、比较器、振荡器、信号运算电路得到了广 泛应用，成为一种通用性很强的基本集成电路 。2内容提要内容提要集成运算放大器在基本运算中的应用集成运算放大器在基本运算中的应用1 1集成运算放大器在信号处理方面的应用集成运算放大器在信号处理方面的应用3 33 3集成运算放大器在波形发生方面的应用集成运算放大器在波形
2、发生方面的应用2 23任务1 集成运算放大器在基本运算中的 应用l任务目标：1理解集成运算放大器的特点；2了解集成运放的单元电路（恒流源、差分放大 器）的组成形式及基本特性；3掌握集成运放在线性系统中的应用；4能正确识读集成运放和判断其的质量好坏l任务教学方式：教学建议：采用多媒体课件，重点介绍差分放大器输入与 输出方式及特点；集成运放的应用电路应结合练习，精讲 电路结构形式及特性 4任务1 集成运算放大器在基本运算中的 应用 l 知识1 集成运放的基本单元电路l1电流源电路l（1）单管电流源电路l单管电流源电路采用分压 偏置式电路（即引入电流负反馈）单管电流源电路 集成电路内部结构框图5l（
3、2）镜像电流源lV1和V2管的参数完全相同，故IC1=IC2，当管子的较大时， IB很小，可忽略不计，所以V2管的集电极电流IC2（即 电流源输出电流）近似等于基准电流IREF，即镜像电流源6有源负载放大器 由于普通晶体管 电流源的频率特性较 差，尤其是横向PNP 管电流源的频率特性 更差，所以在高速或 宽带集成电路中，一 般不采用有源负载放 大器。 由于电流源具有 直流电阻小，而交流 电阻很大的特点，在 集成电路内部的放大 器广泛使用电流源作 有源负载 。7l2差分放大电路l（1）零点漂移现象在单级共射放大器处静态时，由于温度变化 、电源波动、器件的老化等因素的影响，会使工 作点电压（即集电
4、极电位）偏离设定值而缓慢地 上下漂动，这种现象称为零点漂移，简称“零漂” 。（2）基本差分放大器 1）电路结构8对于完全对称的差分放大电路，输出电压uo=uc1-uc2=0，因此共模电压放大倍数 共模放大倍数AVC愈小，则表明抑制零漂移能力愈强。 差分放大器常用共模抑制比KCMR（Common - Mode Rejection Ratio)来衡 量放大器对有用信号的放大能力及对无用漂移信号的抑制能力，其定义为即9l2）典型的差分放大电路当输入信号ui=0时，由于电路不完全对称，输出uo不一定为零，这时可调节RP ，使电路达到对称，uo=0。而发射极电阻Re的作用是引入共模负反馈。例如，当温 度
5、升高时，两个晶体管的射极电流同时增大，射极电阻Re两端电压升高，使两管发 射结压降同时减小，基极电流也都减小，从而阻止了两管集电极电流随温度升高而 增大，稳定了静态工作点，有效地抑制零漂。在共模信号输入时，由于差分放大器 在Re上形成的反馈电压是单管电路的两倍，故对共模信号有很强的抑制能力。 10l3具有恒流源的差分放大器由于电流源的输出端电位在很宽范围内变化时，输出电流 的变化极小，因而当输入共模信号引起射极电位改变时，将不 会影响差模性能，但会使共模放大倍数减小。因此，引入恒流 源后，扩大了差动电路的共模输入电压范围，从而提高共模抑 制比。 11l4差分放大电路的几种输入、输出方式图（c）
6、为单端输入、双端输出差分放大电路；而图（d）为单端 输入、单端输出差分放大电路。 双端输入和 双端输出差分放 大电路如图（a ）所示，可利用 电路两侧对称性 及Re的共模反 馈来抑制零漂；图（b）为双 端输入、单端 输出差分放大 电路；12l无论是双端输入，还是单端输入，只要是双端输出时， AuD = AuD1（AuD1单边差模电压放大倍数）；单端输出时，想一想： 1零点漂移是否在任何耦合方式的多级放 大器中都存在呢？ 2在差分放大器的不同连接方式中，输出 方式怎样影响电压放大倍数的？输入方式会 影响电压放大倍数吗？13l知识2 集成运算放大器应用l理想化的条件主要是：开环放大倍数Ao；差模
7、输入电阻rid；开环输出电阻ro0；共模抑制比 KCMRR。 l运算放大器工作在线性区时，分析依据有两条： 一是由于运算放大器输入端的差模输入电阻rid ，故认为两个输入端的输入电流为零，称为“虚断 ”；二是由于运算放大器的开环放大倍数Ao， 输出电压是一个有限的数据，从uo=Ao（u+-u-） =uo/ Ao0，所以认为u+u-，称为“虚短”。14（a）新符号 （b）旧符号1反相比例放大电路 反馈电阻输出输入平衡 电阻输入电阻15l2同相比例放大器电路当Rf=0，R1时， 便构成了电压跟随器16l例4.1有一理想集成运放电路接线如图所示，已知ui=1V， R1=20k，Rf=200k，试求输
8、出电压uo及平衡电阻R2。l解：（1）此电路为反相放大器，l（2）17l例4.2 在下图所示电路中，已知Rf=2R1，R3=2R2，ui=1V，试 求输出电压uo。l解：图示电路可以分解成两个运算放大器，A1构成电压跟 随器，A2构成同相比例运算放大器。因此，对A1来说， uo1= ui；对A2来说，18l3反相加法器电路l集成运放构成反相放大器，u1、u2 为相加电压，uo 为和电压。当取R1=R2=Rf时，A=1，输出电压uo=- （u1+ u2），实现了加法运算。R3为平衡电阻（为 保证同相输入和反相输入端参数对称，取R3= R1R2Rf），用于平衡输入偏置电流造成的失调 。 19l4相
9、减器（差动运算电路）l利用叠加原理进行分析计算，l得 当取R1=R2= R3= Rf时 ，A=1，输出电压uo= u2-u1 ，实现了减法运算。R3为 平衡电阻。20l例4.3 在下图所示电路中，已知R1=R2=R3=Rf， u1=1V，u2=3V，试求输出电压uo。解：此电路构成了一 个减法器，因 R1=R2=R3=Rf，故可得出 uo= u2-u1=3-1=2V21想一想： 1理想集成运放工作在线性区时，有哪两个特 点（即重要结论）？ 2比例运算电路的闭环电压放大倍数是否与反 馈电阻和输入电阻以及集成运放本身参数均有关系 ？ 3什么是“虚短”、“虚断”、“虚地”？同相输入电 路是否存在“虚
10、地”？22做一做：集成运放的仿真测试1.电压跟随器仿真电路 Ui/V10.5012Uo/VR1=5.1kR1=电压 跟随器仿真数据记录232.反相比例放大器 仿真电路 反相比例放大器仿真数据记 录 Ui20mV100mV500mV1V2V5VUo243.同相比例放大器 仿真电路 同相比例放大器仿真数据记录Ui20mV100mV500mV1V2V5VUo254.相减器 仿真电路 相减器仿真数据记录V3直流电压源/ mV5102050 V4直流电压源/ mV105520 Uo/ mV265.反相加法器 仿真电路 反相加法器仿真数据记录V3直流电压源/ mV5102050 V4直流电压源/ mV10
11、5520 Uo/ mV27做一做：集成运放的实验测试反相比例运算 实验电路 输入电压Ui0.4V0.2V+0.2V+0.4V 输出电压 Uo计算值Uo= -（Rf/R1）Ui实测值在反相输入端加入直流信号Ui，依次将Ui 调到-0.4V、- 0.2V、+0.2V、+0.4V，用万用表测量出每次对应的输出电压 Uo，记录在下表中。 28从函数信号引入f =1kHz、Ui=0.5V的正弦交流信号，用示 波器测量相应的Uo，并观察Uo和Ui的相位关系，记入下表中。 Ui（V）Uo（V）Ui波形Uo波形AV实测值计算值反相比例运算 实验电路 29同相比例运算 实验电路 在同相输入端加入直流信号Ui，依
12、次将Ui 调到0.4V、 0.2V、+0.2V、+0.4V，用万用表测量出每次对应的输出电 压Uo，记录在下表中。 输入电压Ui0.4V0.2V+0.2V+0.4V 输出电压 Uo计算值Uo= （1+Rf/R1）Ui实测值30从函数信号引入f =1kHz、Ui=0.5V的正弦交流信号， 用示波器测量相应的Uo，并观察Uo和Ui的相位关系，记入 到下表中。 Ui（V）Uo（V）Ui波形Uo波形AV实测值计算值同相比例运算 实验电路 31电压跟随器 实验电路 从函数信号引入f =1kHz、Ui=0.5V的正弦交流信号， 用示波器测量相应的Uo，并观察Uo和Ui的相位关系，记入 到下表中。 Ui（V
13、）Uo（V）Ui波形Uo波形32反相加法 实验电路 在电阻R1端加入直流信号电压Ui1，在电阻R2端加入直流 信号电压Ui2，依下表调整Ui1、Ui2，用万用表测量出每次对 应的输出电压Uo，记录在下表中， 输入电压Ui10.4V0.2V+0.2V+0.4V 输入电压Ui20.2V+0.4V0.4V+0.2V 输出 电压Uo计算值Uo= -（Rf/R1）（Ui1+Ui2）实测值33减法器（差动放大器） 实验电路 在电阻R1端加入直流信号电压Ui1，在电阻R2端加入直流 信号电压Ui2，依下表调整Ui1、Ui2，用万用表测量出每次对 应的输出电压Uo，记录在下表中， 输入电压Ui1+0.2V 0
14、.2V+0.2V+0.4V 输入电压Ui2+0.4V +0.2V0.2V0.4V 输出 电压Uo计算值Uo= （Rf/R1）（Ui2-Ui1）实测值34任务2 集成运放在波形变换发生方面的应 用l任务目标：1了解集成运算放大器在线性系统中的应用；2理解集成运放在低频正弦波信号的产生电路 中的作用l任务教学方式：教学建议：集成运放构成的RC振荡器讲解时，可结合前面所学的由 分立元件组成RC正弦波振荡器，来进行电路结构比较 35任务2 集成运放在波形变换发生方面的 应用l 知识 产生低频正弦波信号的电路当集成运放应用于产生正弦波、矩形波（方波）和 锯齿波等不同类型的波形时，其工作状态并不相同。通常
15、 在产生正弦波的电路中，集成运放可以作为放大环节，再 配以一定的选频网络等，即可产生正弦波振荡，所以其中 的运放基本上工作在线性区。但是，对于产生矩形波或锯 齿波的电路，它们实质上是脉冲电路，其中的运放作为一 个开关元件，输出电压只有两种状态，因此，它们大都工 作在非线性区。36l如右图所示为采用集成运 放的1kHz文氏桥式正弦波 振荡器，R1、C1和R2、C2 构成正反馈回路，并具有 选频作用，使电路产生单 一频率的振荡。R3、R4、 R5等构成负反馈回路，以 控制集成运放IC的闭环增 益，并利用并联在R5上的 二极管VD1、VD2的箝位作 用进一步稳定振幅。电路 谐振中心频率集成运放构成的
16、RC振荡电路 1137右图中，由三节RC高通电路 组成的反馈网络（兼选频网络） ，其最大相移可接近270，因此 有可能在特定频率fo下移相180， 即f=180。考虑到放大电路产生 的相移（运放的输出与反相输入 端比较）a=180，则有 a+f=360或 0。显然，只要适 当调节Rf的值，使Auf适当，就可 同时满足相位和振幅条件，产生 正弦波信号。可以证明，这种振荡电路的 振荡频率为 移相式RC振荡器 38做一做： 运算放大器构成的RC振荡器仿真 测试由M318构成的振荡器 39任务3 集成运放在信号处理方面的应用l任务目标：1了解集成运算放大器和电压比较器在线性系统 中的应用；2掌握温度指示器的工作原理l任务教学方式：l教学建议：结合投影等多媒体课件，着重讲电压比较器的基本特性；而电压比较器的开环应用
