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1、第4章 二极管及其应用,4.2 集成运算放大电路,4.1 差分放大电路,4.3 放大电路中的反馈,4.4 基本运算放大电路,4.5 电压比较器,学习目标,1掌握集成运放的符号及器件的引脚功能；,3理解利用集成运放来实现的放大、运算和比较等功能的典型电路；,2理解反馈电路的结构，了解反馈电路在运放中的应用；,4掌握安装使用集成运放构成的应用电路 的方法。,4.1 差动放大电路,差分放大电路，常用在多级放大电路的前置级，也是运放电路的基本电路。差动放大电路不但能有效地放大信号，而且还能有效地抑制零点漂移。,零点漂移是由于元件参数的变化，导致输入电压的不变时，输出电压发生变化的情况，在直接耦合放大电
2、路中，由于前后级直接相连，零点漂移经多级放大后，会引起放大电路不能正常工作。,1基本差分放大电路的电路形式,基本差分放大电路的电路形式如图4-1所示。由图可见，它实际上是由两个对称的单管共射放大电路组成的。,其中VTl和VT2是两只特性相同的三极管，RB1和RB2是偏置电阻，而RCl和RC2是集电极负载电阻。通常RB1= RB2，RCl=RC2，电路为对称形式。,图4-1基本差分式放大电路,2差分放大电路的特点,（1）共模抑制作用,如果输入的信号使两管集电极电流发生同样的变化，而且它们个自己的变化量大小相等，称为共模输入。,（2）差模放大作用,如果把输入信号接到差分放大器的两输入端，如图4-1
3、所示，则由于电路完全对称，使每个放大器分得的输入信号电压大小相等（均为uI2），极性相反。我们把这种幅度相等极性相反的信号叫做差模信号，而把这种输入方式称做差模输入方式。,（3）共模抑制比,性能好的差动放大电路应有强的共模抑制能力和强的差放大能力。对共模信号的放大倍数越小，对差模信号的放大倍数越大，则电路的性能越好。,共模抑制比的定义为：差模放大倍数Ad与共模放大倍 数的比值，用KCMR表示。即：,4.2 集成运算放大电路,集成运放最常见的用途是放大，还可以用作比例运算和滤波等。图4-2所示为运放在耳机放大器中完成信号放大功能。,图 4-2 运放用于信号放大,4.2.1 集成运算放大电路简介,
4、（a）基本组成框图,（b）符号 图4-3 集成运放组成框图和符号,集成运算放大器实际上就是一个高增益的多级直接耦合放大器，运算放大器广泛应用于模拟信号的运算、放大、滤波等功能。,图4-3（a）所示是集成运放组成框图。输入级主要由差动放大器构成，以减小运放的零漂和其他方面的性能，它的两个输入端分别构成整个电路的同相输入端和反相输入端。 中间级的主要作用是获得高的电压增益，一般由一级或多级放大器构成。 输出级一般由电压跟随器（电压缓冲放大器）或互补电压跟随器组成，降低输出电阻，提高运放的带负载能力和输出功率。 偏置电路则是为各级提供合适的工作点及电源。,4.2.2 理想集成运算放大电路,1理想集成
5、运放的特点,2集成运放的两个工作区,（1）运放工作在线性工作区时的特点,集成运放的线性工作区是指其输出电压uo与输入电压uI成正比时的输入电压范围。,图4-4 集成运放的传输特性,（2）运放工作在非线性工 作区时的特点,集成运放的非线性工作区是指其输出电压uo与输入电压uI不成比例时的输入电压取值范围。,集成运放在非线性工作区内一般是开环运用 或加正反馈。它的输入输出关系是：,表4-2 非线性区工作时集成运放的输入/输出关系,3常见集成运放芯片简介,4.3 放大电路中的反馈,扬声器的声音通过麦克风返送到功放，功放把这一信号进行放大，经扬声器输出，放大后的信号又麦克风返送到功放，经多次反复放大后
6、的信号幅度很大，就形成啸叫声，这种情况称为自激。,自激的产生是因为电路中存在把输出信号返送回到输入端形成回路，这一回路就称为反馈电路。,在反馈过程中，使放大电路处理的输入信号幅度增大，这种反馈称为正反馈。,把输出的信号倒相回送回输入端，从而减弱输出信号的幅度，这种反馈称为负反馈。,1. 反馈的结构,将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部回送到输入端，与输入信号叠加，就称为反馈。回送的信号称为反馈信号。,反馈电路是存在输出信号反馈信号的环路。,表4-4 有关反馈电路的说明,2负反馈的主要类型,综合考虑反馈网络与输入、输出回路的关系，将负反馈电路可分为如下四种基本类： 电压串联负反馈
7、电流串联负反馈 电压并联负反馈 电流并联负反馈,表4-5 四种负反馈电路形式及主要特点,3.负反馈对放大电路的影响和应用,由于负反馈信号与原输入信号叠加在一起，会使实际输入到放大器的信号减弱，使放大后输出信号的幅度比无负反馈信号时输出的要低，即负反馈会使放大电路的放大倍数下降，但对放大电路的性能会有所改善，例如，可以稳定放大倍数、减小非线性失真、展宽通频带、提高输入电阻、降低输出电阻等。,4.4 基本运算放大电路,1. 同相输入比例运算电路,同相输入放大器又称为同相比例运算电路，其基本形式见表4-6。,（a）电路图 （b）实物图 图4-7 NE5532用于音频放大器,图4-7所示运放NE553
8、2用于音频放大器，主要用于交流信号放大。其反相输入端所接电阻串电容后再接地，有利于稳压运放的工作点。,2. 反相输入比例放大电路,解：,3 反相加法运算电路,图4-8 卡拉OK人声与伴奏乐混合,解：依据表4-8中的公式可知：,平衡电阻：,4.减法运算电路,把输入信号同时加到反相输入端和同相输入端，对两个输入信号之差进行放大，即可实现代数相减的运算功能。,图4-9 一个减法运算电路,分别求出uI1、uI2单独作用于电路时的输出，利用叠加原理，将两者叠加，即可得该电路的输出为：,当电路的电阻满足R1=R2，Rf=R3，则上式可写成：,输出电压与两个输入电压之差成正比，电路实现了减 法运算。如果R1
9、= Rf，则,即输出电压等于两个输入电压之差，这种电路称为减法器。,5. 运放用于测量放大器,图4-10 仪表放大器常用的电路结构,图4-11 测量放大器用于电子称信号放大电路,4.5 电压比较器,图 4-12 生活中的比较,。,(a)符号 （b）电压传输特性 图 4-13 电压比较器,当uIUREF时，输出电压为负饱和值UOL；当uIUREF时，输出电压为正饱和值UOH。可见，只要输入电压在基准电压UR处稍有正、负变化，输出电压uO就在负最大值到正最大值处变化。,作为特殊情况，若图中UREF=0V，即集成运放的同相端接地，则基准电压为0V，这时的比较器称为过零比较器。,当过零比较器的输入信号
10、uI为正弦波时，输出电压uo为 正、负宽度相同的矩形波。,图4-14 过零比较器波形图,想一想：如何判定输入电压超过了某一电位，或者低于某一电压。利用过零比较器，能否把三角波变成矩形波？,（a）温度控制电路 （b)电路中热敏电阻RP的温度特性 图4-15 简单的温度控制电路,本章回顾,1.差分放大电路常用于多级放大电路的前置级，是运算放大器的基本电路。差分放大电路能够有效地抑制零点漂移，并进行差模信号放大，对共模信号有很强的抑制能力（可以认为其对共模信号电压放大倍数为0）。,2.集成运放由输入级、中间级和输出级构成。理想集成运放具有差模输入电阻rId，开环电压增益Aod，输出电阻rod=0等理
11、想的参数；把常用的运算放大器当作理想运算放大器进行分析，结果与实际情况基本一致，在实际分析中，完全可以把实际运算放大器当作理想运算放大器来分析。,3.常见的基于理想集成运放的运算电路有：反相输入比例放大电路、同相输入比例放大电路等。利用运算放大器还可以构成比较器。,实验 集成运放的应用,一、实验目的 1认识集成运放芯片，掌握其使用方法。 2构成减法电路和电压比较电路，观察实际运放和理想运 放的差别。 3利用LM324构成表决器。,二、实验器材 1030V双路直流稳压电源 1台 2数字万用表 1块 3LM324 2块 4电容 0.1F， 5电阻若干， 6小灯泡 1个,三、实验内容 1项目一：减法
12、电路一先反相再求和,实验电路：如图4-19所示的减法电路中，R1， R2， Rf1 和Rf2均为1k。,图4-19 减法电路,实验步骤： 接好图4-19所示减法电路，并接入+VCC = +15V，VCC =15V。 保持步骤，接入电压、频率均为0.1V，5kHz的正弦波信号uS1和uS2 ，用示波器DC输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录： 输出电压幅值与输入电压幅值相比_（基本为0/基本相等/要大得多），即该电路_（能/不能）实现输入电压相减（uO= uS1uS2）。 保持步骤，改接uS2为1V，500Hz的方波信号，用示波器DC输入端观察输出电压和输入电压uS2波形，并记录各波形
13、。,（2）项目2 ：简单电压比较器,图4-20 电压比较器电路,实验步骤： 接好图4-20所示的电压比较器电路，两输入端分别串接一个1k电阻，并接入+VCC = +15V，VCC =15V。 保持步骤，接入UREF=2V（用数字万用表精确测量）的直流电压。, 保持步骤，接入uI=3V，用万用表测量输出直流电压大小，并记录：uO=_V，_（输出高电平UOH/输出低电平UOL）。 保持步骤，接入uI=1V，用万用表测量输出直流电压大小，并记录：uO=_V，_（输出高电平UOH/输出低电平UOL）。 保持步骤，微调uI，使uI在1V至3V之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：恰
14、好出现高电平向低电平翻转或低电平向高电平翻转时的uI=_V（精确测量），此值与UREF值_（很接近/有较大差距）。 结果表明，该电路_（能/不能）实现电压比较的作用 。,（3）项目3：制作表决器集成运放的综合应用,实验步骤： （1）按实验电路连接好电路。LM324的连接请参考图4-21，注意电源的连接。 （2）按下15号开关，观察小灯的情况。是否为三个或以上输入的时候小灯亮。 （3）思考：如果要改变裁判个数，则电路该如何修改，哪些参数需要改变。把裁判数增加到7个，调试电路达到要求，记录更改的地方。,2. 记录项目二的各项数据，得出结论。 3. 描述项目三电路的功能，并分别说出2个LM324的作用。 4. 说明用MC4558可否代替LM324完成上述实验。,五、想一想、做一做,图 4-22 波形发生器,图4-22为一矩形波、三角波和正弦波发生器，选择参数，安装电路并说明电路的工作原理。画出uO1、 uO2和uO的波形。说明该电路有何用处。如果要改变输出信号的频率，可调节的元件是哪个？如果想改变输出信号的幅度，有什么办法？,说明：电路中的电容C是充电电容，电容的充放电可以形成三角波。,
