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1、中职 电子线路（第3版）第5章电子课件（高教版）第5章 集成运算放大器的应用5.1 集成运放的理想化及基本电路5.2 运算电路5.3 电压比较器5.4 集成运放的应用与实验5.1.1 5.1.1 集成运放的理想特性集成运放的理想特性 反相输入端unup 同相输入端信号传输方向ui输出端理想运放开环电压放大倍数ouAuO集成放的符号、管脚5.1 集成运放的理想化及基本电路1.理想运放的概念理想化的条件：开环电压放大倍数 Aod;差模输入电阻 rid开环输出电阻 rod共模抑制比 KCMRR;0;uuou上限截止频率fH。理想运放的符号 2理想运放在线性区的特点（1）虚短：由于两输入端之间的电压差
2、为0，相当于两输入端短路，但又不是真正的短路，故称为“虚短”。虚短实际上指的是两输入端的电压相同，也就是up=un。（2）虚断：由于ii=0，相当于两输入端开路，但又不是真正的断开，故称为“虚断”。虚断表明两输入端没有电流。集成运放的电压、电流，以及“虚短”、“虚断”示意图5.1.2 集成运放的两种基本电路1.反相输入放大电路虚地点i1=if（虚断）因为有负反馈，利用虚短和虚断u+=0 u=u+=0（虚地）反馈方式：电压并联负反馈电压放大倍数:例题.R1=10k,Rf=20k,ui=-1V。求:uo、Ri。说明R的作用，R应为多大？特点：共模输入电压=0（u=u+=0）缺点：输入电阻小（Ri=
3、R1）R为平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R=R1/Rf2.同相输入放大电路u-=u+=uii1=if（虚断）平衡电阻R=Rf/R1因为有负反馈，利用虚短和虚断反馈方式：电压串联负反馈特点：输入电阻高缺点：共模输入电压0（u=u+=ui）电压放大倍数:Auf=1电压跟随器此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。ui=u+=u-=uo因为有负反馈，利用虚短和虚断：【例5.1】在图5.3所示的电路中，如果已知R1=1k,Rf=25k,ui=0.2V，求：Auf,uo及R 的值。解：由电压放大倍数公式（5-2）可得
4、输出电压为uo=Auf ui=250.2=5V 平衡电阻R 为R1与Rf的并联值，即R=R1/Rf 0.96k【例5.2】在如图5.5所示电路中，VCC=9V,Rf=3.3k,R2=5k,R3=10k，求输出电压uo的值。解：输入电压ui（指同相输入端对地电压）为由于R1，则uo为 结果表明，输出电压与输入电压大小相等，相位相同，随输入电压变化。因为是同相输入放大电路具有电压串联负反馈电路的特点，所以运算放大电路工作状态与射极输出器相当，不但具有很高的输入电阻和很低的输出电阻，而且性能优良，在实际电路中得到广泛的应用。5.2.1 比例运算电路 数学上y=kx（k 为比例常数）称为比例运算，在电
5、路中则可通过uo=kui来模拟这种运算，比例常数k 为电路的电压放大倍数。显然，前述的反相输入放大电路和同相输入放大电路都可实现比例运算，前者k=Rf/R10，因此分别称为反相比例电路和同相比例电路。5.2 运算电路若R1=R2=R,平衡电阻R0=R1/R2/Rfi1+i2=if虚地5.2.2 加法运算电路叠加原理 ui1作用 ui2作用 综合：则有：5.2.3 减法运算电路【例5.3】计算各电路的阻值并连接集成运放电路图，使它满足ui和uo之间的下列运算关系。uo=10(ui1+ui2+ui3)；uo=20(ui2ui1)。解 由uo=10(ui1+ui2+ui3)，可知，所以只要按图5.6
6、所示的加法运算电路连接，让Rf=10R1，且R1=R2=R3=10k，然后让Rf=100k，使R=R1/R2/R3/Rf=3.22k，即满足uo=10(ui1+ui2+ui3)由uo=20(ui2ui1)可知，所以只要按图5.7所示的减法运算电路连接，其中R1=R2,R3=Rf，且Rf=20R1，即符合要求。如果取R1=R2=1k，则取R3=Rf=20k。5.3 电压比较器 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。uoui0+UOM-UOM1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反
7、馈。运放工作在非线性状态基本分析方法2.运放工作在非线性状态的分析方法：若u+u-则uO=+UOM；若u+u-则uO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM1.过零比较器:（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM一.单门限电压比较器tuituo+UOM-UOM例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。2.单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+UOM-UOMUREFUREF为参考电压当ui UREF时,uo=+UOM当ui UREF时,uo=-UOM 运放处于开环状态uoui0+UOM-UOMUREF当ui UREF时,u
8、o=-UOM 若ui从反相端输入uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压忽略了UD3.限幅电路使输出电压为一稳定的确定值当ui 0时,uo=+UZ当ui 0时,uo=-UZ（2）稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路中uoui0+UZ-UZ当ui 0时,uo=-UZ当ui 0时,uo=+UZ 二.迟滞比较器*1.工作原理两个门限电压。特点:电路中使用正反馈运放工作在非线性区。（1）当uo=+UZ时，（2）当uo=-UZ时，UT+称上门限电压UT-称下门限电压UT+-UT-称为回差电压迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设ui,当ui=UT+时,uo从+
9、UZ-UZ例题：Rf=10k，R2=10k，UZ=6V，UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。上下限：uoui08V3V传输特性+6V-6V3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性+6V-6V5.4 集成运放的应用与实验5.4.1 集成运放常见故障解决方法（1）不能调零 故障现象为：将两输入端对地短路，调整外接调零电位器，输出电压无法为零。在无负反馈时，由于Aod很大，微小的失调电压经过放大后，有可能造成输出电压接近正电源或负电源的电压，属正常现象。若已加入较强的负反馈，在调整零电位器时，输出电压不产生变化，其原因可能是接线有误、电路虚焊或集成运放
10、损坏。（2）“堵塞”现象 又称“自锁”现象，它是指反馈运算放大器突然发生工作不正常，输出电压接近正、负电源两个极限值的情况。引起“阻塞”的原因是输入信号过强或受强干扰信号的影响，使运放内部某些管子进入饱和状态，从而使负反馈变成正反馈。解决的方法是切断电源，重新接通，或把组件的两个输入端短路一下，就可使电路恢复正常工作。（3）工作时产生“自激”自激产生的原因可能是集成运放的RC 补偿元件参数选择不合适，电源滤波不良或输出端有电容性负载。为了消除自激，应重新调整RC 补偿元件参数，加强对正、负电源的滤波，调整电路的布线结构，避免电路接线过长。5.4.2 模拟运算电路实验一、实验目的（1）通过实验，
11、加深理解集成运算放大器的基本运算电路。（2）掌握集成运算放大器的使用方法。二、实验原理 本实验采用通用集成运放LM324，适当选择反馈网络，就可构成反相、加法、减法、微分、积分电路。LM324的引脚图如图5.11 所示。1.反相比例运算电路反相比例运算电路2.减法运算电路减法运算电路3.加法运算电路 加法运算电路三、实验仪器和器材 双踪示波器：一台；函数信号发生器：一台；双路直流稳压电源：一台；电子电压表：一台；万用表：一只；LM324运放及其他器件：若干。四、实验内容与步骤1电源的连接分别将两组电源调至12V，两组电源与LM324的接法如图5.15所示。图5.15 集成运放的双电源供电连接2
12、.反相比例运算电路的测试实验电路如图所示。（1）在输入端分别接入UI为0.5V,0.2V,0.2V,0.5V 的直流信号，用万用表测量相应的UO的值，列表计算Auf，并与理论值比较。（2）输入ui为f=1kHz，Ui=100mV 的正弦信号，用示波器及交流毫伏表测试输入、输出电压，并比较它们的相位和大小，计算Auf。3.减法运算电路的测试实验电路如图所示。在输入端分别加上直流电压UI1=1V，UI2=2V 及UI1=2V，UI2=1V，分别测出相应的输出电压UO，并与理论值相比较。4.加法运算电路的测试在输入端分别接入UI为+4V,+2V,2V 和4V 的直流电压，然后分别测出A,B,C 各点
13、电位，并分别测出输出电压UO的值。五、实验分析和总结（1）整理实验数据，结合数据并从理论上验证以上各种运算。（2）回答下列思考题：理想运算放大器有哪些特点？如果集成运放改成单电源供电，应如何连接线路？在比例运算电路中，当ui达到一定数值后，uo不再按线性增大，这是什么原因造成的？本章小结（1）集成运放有线性和非线性两种工作状态，相应地就有两类应用：线性应用和非线性应用。（2）运放工作在线性区的两大特点，即un=up，ii=0 是分析工作在线性区运放电路的重要依据。（3）集成运放的线性应用有：组成放大电路、运算电路等。为了工作在线性放大状态，作为线性应用的运放必须引入深度负反馈，此时应用虚短、虚断和虚地等概念可使电路的分析大为简化。（4）运放工作在非线性区的特点是：u+u-，则uo=+UOM；u+u-，则uo=UOM，输出电压通常只有高电平和低电平两个稳定状态，它可以看成是由输入电压控制的开关。（5）集成运放的非线性应用有：组成电压比较器和非正弦波发生器等。为了使运放工作在非线性状态，必须使运放开环或引入正反馈，分析电路时主要画出它的传输特性或波形。（6）在使用集成运放时应注意做好相应的保护措施，以防不正常工作和损坏。