电子电路与技能训练 任务驱动模式 教学课件 ppt 作者 李德信 单元3 集成运放及其应用.ppt

电子电路与技能训练,机械工业出版社,2019/5/22,单元三 集成运放及其应用,,任务1 信号运算电路的装配与调试 任务2 正弦波信号发生器的装配与调试 任务3 矩形波—三角波发生器的装配与调试,学习流程与活动,任务1 信号运算电路的装配与调试,本任务主要介绍理想集成运算放大器及其特性，比例运算、加减运算电路的组成及工作原理分析，比例运算电路的组装及调试方法，并能独立排除调试过程中出现的故障任务描述,,任务分析,,本任务要求根据电路原理图，按工艺要求装配与调试电路通过比例运算电路的装配与调试，掌握信号运算电路的特点，各元件的作用，元件参数对电路性能的影响装配电路原理图,集成运算放大器的组成及电路符号,集成运算放大器（简称集成运放）是一个具有高放大倍数的直接耦合的多级放大器由于在初期运算放大器主要用于各种数学运算（如加法、减法、乘法、除法、积分、微分等），故至今仍保留这个名称随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，因而应用领域日益扩大，已远远超过了数学运算领域，在计算机技术、自动控制、测量、仪表、无线电技术等诸多领域中，集 成运放都到了广泛应用集成运算放大器的基本概念,集成运算放大器的组成及电路符号,集成运算放大器的基本概念,反相输入端,同相输入端,输出端,集成运放外引脚排列,集成运算放大器的基本概念,集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的基本概念,1）开环差模电压放大倍数AOd AOd是集成运放在开环时（无外加反馈时）输出电压与输入差模信号电压值比，常用分贝表示。

这个值越大越好，目前最高的可达140dB（107倍）以上 2）输入失调电压UOS及其温漂dUOS/dt 理想情况下，集成运放的输入级完全对称，能够达到输入电压为零时输出电压亦为零然而实际上并非如此理想，当输入电压为零时输出电压并不为零，若在输入端外加一个适当的补偿电压使输出电压为零，则外加的这个补偿电压称之为输入失调电压UOSUOS越小越好高质量的集成运发可达1mV以下集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的基本概念,3）输入失调电流IOS及其温漂dIOS/dt IOS用来表征输入级两输入端的输入电流不对称所造成的影响由于静态时两输入电流不对称，而造成输出电压不为零，因此IOS越小越好 IOS的大小还受到温度的影响规定输入失调电流对温度的变化率dIOS/dt为输入失调电流的温漂（或温度系数），用来表征IOS受温度变化的影响程度单位为nA/℃，一般集成运放其值为1～5nA/℃，高质量的可达pA/℃数量级集成运算放大器的基本概念,集成运放的主要技术指标,,4）输入偏置电流IB IB为常温下输入信号为零时，两输入端静态电流的平均值，即IB =（IB1+IB2）/2它是衡量量输入端输入电流绝对值大小的标志。

IB太大，不仅在不同信号源内阻的情况下对静态工作点有较大影响，而且也影响温漂和运算精度一般为几百纳安，好的为几个纳安集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的基本概念,5）差模输入电阻rid rid是集成运放两输入端之间的动态电阻，以rid = △uid/△ii表示它是衡量两输入端从输入信号源索取电流大小的标志一般为MΩ数量级高质量的可达106MΩ 6）输出电阻ro ro是集成运放开环工作时，从输出端向里看进去的等效电阻，其值越小，说明集成运放带负载的能力越强 7）共模抑制比KCMR KCMR是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即KCMR = |Aod/Aoc|，若以分贝表示，则KCMR =20lg |Aod/Aoc|该值越大越好，一般为80～100 dB，高质量的可达160 dB集成运放的主要技术指标,集成运算放大器的基本概念,8）最大差模输入电压Uidm Uidm是指同相输入端和反相输入端之间所能承受的最大电压值所加电压若超过此值，则可能使输入级的三极管反向击穿而损坏 9）最大共模输入电压Uicm Uicm是集成运放性工作范围内所能承受的最大共模输入电压若超过这个值，则集成运放会出现KCMR下降、失去差模放大能力等问题。

高质量的可达正负十几伏理想集成运放及其分析方法,理想运算放大器满足以下各项技术指标： 1）开环差模电压放大倍数Aod = ∞; 2）输入电阻rid = ∞； 3）输出电阻rod = 0； 4）共模抑制比KCMR = ∞ 5）失调电压、失调电流及它们的温漂均为0； 6）带宽fh = ∞,,理想集成运放及其分析方法,,,线性区,非线性区,非线性区,+Uom,-Uom,uo与ui是线性关系，即,集成运放的输出电压与输入电压之间的关系曲线，称为电压传输特性虚短”,“虚断”,,理想集成运放及其分析方法,(1) 输出只有两种可能, +Uo(sat) 或–Uo(sat),(2) i+= i–  0,仍存在“虚断”现象,电压传输特性,当 u+ u– 时， uo = + Uo(sat) u+ u– 时， uo = – Uo(sat) 不存在 “虚短”现象,基本运算电路,1. 反相比例运算,（1）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地()2）电压放大倍数,因虚短, 所以u–=u+= 0， 称反相输入端“虚地”— 反相输入的重要特点,因虚断，i+= i– = 0 ，,所以 i1  if,因要求静态时要求N、 P两输入端对地电阻相同， 所以平衡电阻 R2 = R1 // RF,基本运算电路,1. 反相比例运算,电压放大倍数,－,－,反馈电路直接从输 出端引出—电压反馈,输入信号和反馈信号加在 同一输入端—并联反馈,反馈信号使净输入 信号减小—负反馈,电压并联负反馈,输入电阻低， 共模电压  0,基本运算电路,当 R1 = Rf 时，,Auf = -1,反相器,反相器：,反相器,基本运算电路,2. 同相比例运算,因虚断，所以u+ = ui,（1）电路组成,（2）电压放大倍数,,因虚短，所以 u– = ui ， 反相输入端 “虚地”不存在,因要求静态时N、P对地电阻相同， 所以输入电阻R2=R1//RF,基本运算电路,,2. 同相比例运算,输入电阻高 共模电压 = ui,电压放大倍数,,电压串联负反馈,输入信号和反馈信号分别 加两个输入端—串联反馈,反馈电路直接从输 出端引出—电压反馈,因虚短，所以 u– = ui ， 反相输入端不“虚地”,反馈信号使净输入 信号减小—负反馈,基本运算电路,当 R1 = ，Rf = 0 时，,Auf = 1,跟随器,跟随器：,同相器,加法运算与减法运算,反相加法运算,,根据虚断可知iF = i1 + i2 + i3 ，根据虚地可得u - = 0，,平衡电阻： R4 = R1//R2//R3//Rf,若Rf = R1 = R2 = R3， 则uO = －（ui1 + ui2 + ui3）。

加法运算与减法运算,同相加法运算,,根据虚断可知,平衡电阻： R2//R3//R4 = R1//Rf,若R2 = R3 = R4，Rf = 2R1，则上式可简化为uO = ui1 + ui2根据同相比例运算uO与u+的关系式,加法运算与减法运算,减法运算,,设ui1单独作用，而ui2 = 0，ui1产生的输出电压uO1为,当R1 = R2，Rf = R3时，则,设由ui2单独作用，而ui1 = 0，ui2产生的输出电压uO2为,,,当Rf = R1，则uO = ui2 －ui1,,,,,准备所需仪表、工具：常用电子组装工具一套、双通道示波器一台、直流稳压电源（正、负双电源）一台、低频信号发生器一台、万用表一只所需电子元器件及材料见表3—1任务准备,,1．对电路中使用的元器件进行检测与筛选 2．按照装配电路原理图装配电路 装配工艺要求： （1）电阻器均采用水平安装，要求贴紧电路板，电阻器的色环方向应一致 （2）集成运放采用垂直安装，底部贴紧电路板，注意管脚应正确 （3）布线正确，焊点合格，无漏焊、虚焊、短路现象任务实施,,3．装配完成后应首先进行自检，正确无误后才能进行调试 （1）焊接检查 焊接结束后，首先检查电路有无漏焊、错焊、虚焊等问题。

检查时可用尖嘴钳或镊子将每个元件拉一拉，看有无松动，如果发现有松动现象，应重新焊接 （2）元器件检查 检查集成运放管脚有无接错，用万用表欧姆档检查管脚有无短路、开路等问题 （3）接线检查 对照装配电路原理图检查接线是否正确，有无接错、是否有碰线、短路现象应重点检查 集成运放输出端、电源端和接地端，这几个端子 之间不能短路，否则将损坏器件和电源发现问 题应及时纠正任务实施,,3．电路调试 （1）经上述检查确认没有错误后，将稳压电源输出的正、负12V直流电源与电路的正、负电源端相连接，并认真检查，确保直流电源正确、可靠地接入电路，然后接通直流电源 （2）将低频信号发生器“频率”调为100HZ，输出信号电压调为50mV，输入至测试电路的输入端 （3）将双通道示波器Y轴输入分别与测试电路的输入、输出端连接，接通示波器电源，调整示波器使输入、输出电压波形稳定显示（1—3个周期）任务实施,,（4）读取输入、输出电压波形的峰—峰值，计算电压放大倍数将结果填入表3—2中 （5）分别观察电压跟随器、同比例运算电路、反向比例运算电路和反相器的输出波形，观察输入、输出波形的相位变化任务实施,,问题及防治 一般情况下，试结果均与理论估算值接近，误差很小。

若测试结果与理论估算值产生较大误差，则其原因主要有： （1）集成运放的特性与理论值相差较多，主要是集成运放的开环增益不高，使实测输出电压值偏小另外，共模抑制比比较低，也会引起同相运算电路的输出产生误差 （2）运算电路外接元件的标称值与实际值有误差 （3）调零没有调好或调零电位器发生变动 （4）电路接错或测量点接错，电压表换挡误差或读数错误，电压表内阻较低等 （5）输入信号过大，集成运放工作在非线性状态扩展知识,微分运算,微分运算电路和反相比例运算电路的差别是用电容代替电阻R1为使直流电阻平衡，要求R1 = Rf 根据运放反相输入端虚地可得,由于i1 = iF ，因此可得输出电压uO为,可见输出电压uO正比于输入电压ui对时间t的微分，从而实现了微分运算式中RfC即为电路的时间常数扩展知识,积分运算,将微分运算电路中的电阻和电容位置互换，即构成积分运算电路 由图可得,由于i1 = iF ，因此可得输出电压uO为,可见输出电压uO正比于输入电压ui对时间t的积分，从而实现了积分运算式中R1Cf为电路的时间常数扩展知识,微分和积分电路常用以实现波形变换例如，微分电路可将方波电压变换为尖脉冲电压，积分电路可将方波电压变换为三角波电压。

任务2 正弦波信号发生器的装配与调试,本任务主要介绍振荡的基本概念，RC串并联电路的选频特性，RC桥式正弦波振荡电路的组成及工作原理，RC桥式正弦波振荡电路的装配与调试方法，并能独立排除调试过程中出现的故障任务描述,,任务分析,,本任务要求根据电路原理图，按工艺要求装配与调试电路，通过RC桥式正弦波振荡电路的装配与调试，掌握振荡电路的特点，起振条件，元件参数对电路性能的影响装配电路的原理图,正弦波振荡电路,正弦波振荡的概念,,正弦波振荡电路的组成原则,放大电路在没有输入信号时，接通电源就有稳定的正弦波信号输出，这种电路称为正弦波振荡电路1）放大电路 放大电路是维持振荡电路连续工作的主要环节，没有放大，不可能产生持续的振荡要求放大电路必须有能量供给，结构合理，静态工作点合适，具有放大的作用正弦波振荡电路,正弦波振荡电路的组成原则,（2）反馈网络 反馈网络的作用是形成反馈（主要是正反馈）信号，为放大电路提供维持振荡的输入信号，是振荡电路维持振荡的主要环节 （3）选频网络 选频网络的主要作用是保证电路能产生单一频率的振荡信号，一般情况下这个频率就是振荡电路的振荡频率在很多振荡电路中，选频网络和反馈网络结合在一起。