第六章 集成运算放大器的应用 模电教师教案_模电第二章运算放大器

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模拟电子技术

教案

授课人：王旭东

第六章 集成运算放大器的应用

课时分配: 8学时

目的要求： 1.掌握深度负反馈条件下“虚短”和“虚断”概念，推导基本运算电路；

2.了解有源滤波电路的分类及频率特性。

重 点：1.灵活运用“虚短、虚断”的概念，推导各电路输出与输入的关系；

2.差动比例运算电路，反相求和电路。

难 点：1.理解集成运算工作在线性区的条件和特点； 2.同相求和电路

教 学

方法手段: 结合多媒体电子课件, 启发式、互动式讲解；屏幕投影、黑板、模型实物及实物投影四体合一课堂教学手段；理论讲解和电路仿真同步。

教 具： 电子课件、计算机、投影、电子展台。

复习提问

1.根据集成运放的Ａo及电压传输特性估算出集成运放的线性输入范围；

2.集成运放开环应用能否使运放工作在线性区？

复习提问: 1.基本放大电路中RE、CE或RS、CS的作用？ 2.共集电极、共漏极放大器的性能特点？

新 授：

6.1集成运放的应用基础

复习：上一章介绍了集成运放的符号及集成运放的电压传输特性如图示由电压传输特性曲线知，集成运放有线性工作区和非线性工作区集成运放的最大输出

12电压UOM12V,Aod106则最大线性输入电压为Uimax612v，即只有

10Ui12v时运放才工作在线性区。

可见集成运放开环应用不能工作在线性区，要使集成运放工作在线性区，必需在集成运放外部电路引入负反馈。6.1.1 理想运放的条件

理想条件：Aod,rid,ric,r00,CMMR,UIO0,Iio0等 用理想运放代替实际运放所产生的误差工程上是允许的 6.1.2 理想运放工作在线性区的特点

在线性区U0Aod(UU)

UUU00UU

虚短路 AodIiUU0

虚开路 rid虚短路、虚开路是分析集成运放线性应用电路的出发点。6.2 运算电路 6.2.1 比例运算 1.反相比例运算电路

（1）电路结构：从输出端到反相输入端引入负反馈，信号加到反相输入端（2）U0与Ui关系

据图示电路及其参考方向

UU0(虚短)有

i1i2(虚断)

UiU0 R1RU0R2Ui R1R2Ui R1Au若R2R

1则 U0Ui ,Au1 称为反相器或反号器 平衡电阻RPR1R2（3）特点

①电路引入了电压并联负反馈，输入电阻riR1低输出电阻r00 ②存在虚地UU0

③共模输入信号Uic0，对于集成运放的共模抑制比要求不高 2.同相比例运算电路

（1）电路结构：从输出端到反相输入端引入负反馈，信号加到同相输入端（2）U0与Ui关系

由图示参考方向：

UUUi(虚短)

i1i2(虚断)有 UiUUi 0R1R2 U0(1整理

R2)Ui R1Au(1R2)R1（3）特点

① 电路引入了电压串联负反馈，输入电阻很大，输出电阻很小，可以认为ri ri0

② 共模输入信号UicUi，对于集成运放的共模抑制比要求较高。若同相比例运算电路中R1，R2RP0

U0Ui

称为电压跟随器

电压跟随器可以看成是同相比例运算电路的特例 此电路、电压跟随效果非常好 6.2.2 差动比例运算

（1）电路结构.从输出端到反向输入端引入负反馈。两路输入信号分别加到反相输入端和同相输入端。（2）Uo和Ui的关系

应用叠加定理：

Ui1单独作用，输出电压Uo1ˊ=-(R2/R1)Ui1 Ui2单独作用，输出电压U02ˊ=(1+R2/R1)R4/(R3+R4)Ui2 Ui1和 Ui2共同作用

UO= Uo1ˊ +U02ˊ=（1+R2/R1）R4/R3+R4 Ui2-R2/R1 Ui1 若R1=R3 R2=R4 则有UO=R2/R1(Ui2-Ui1)差动比例运算又是减法运算 6.2.3 求和运算 1.反相求和运算

（1）电路结构

在反相比例运算电路基础上，反相输入端多加几路输入信号即构成反相求和运算电路

（2）Uo和Ui关系 Ui1/R1+Ui2/R2=-UO/Rf UO=-Rf/R1 Ui1-Rf/R2 Ui2 若R2=R1=Rf 则UO=-(Ui1+Ui2)2.同相求和运算

（1）电路结构 在同相比例运算电路基础上，在同相输入端多加几路输入信号，即构成同相求和运算电路。（2）Uo与Ui的关系

利用叠加定理可得到图示电路的Uo为

Uo=（1+Rf/R1）R3/(R2+R3)Ui1+（1+Rf/R1）R2/(R2+R3)Ui2 =（1+Rf/R1）[R3/(R2+R3)Ui1+R2/(R2+R3)Ui2] 平衡电阻应满足R1‖Rf=R2‖R3 3.代数求和电路

两级电路构成的和差电路如图所示 Uo1=-Rf/R1 Ui1-Rf/R2 Ui2

Uo=-R6/R4 Uo1-R6/R3 Ui3=(Rf/R1 Ui1+Rf/R2 Ui2)R6/R4-R6/R3 Ui3 =Rf/R1 R6/R4 Ui1+Rf/R2 R6/R4 Ui2-R6/R3 Ui3 6.2.4 积分和微分运算电路 复习：两级运放电路分析 1.积分运算电路(1)电路结构

反相比例运算电路中，反馈支路中的电阻换成电容即构成积分运算电路(2)Uo与Ui关系

由图示参考方向

Uo=-Uc=-1/c∫i1dt=-1/RC∫Uidt(3)实用的积分运算电路

在上述积分电路中，反馈电容两端并上一个大电阻即构成实用的积分电路。1.微分运算电路(1)电路结构

积分和微分互为逆运算，积分电路中的C和R互换位置即构成微分运算电路。(2)Uo与Ui关系

Uo=-R iF=-R iC=-RC dUi/dt(3)实用微分电路

在输入端与电容C串接一个小电阻，可使微分电路的工作稳定性提高。6.2.5 对数和指数运算电路 1.对数运算电路(1)电路结构

反相积分运算电路中的电容换成二极管则构成基本的对数运算电路(2)Uo与Ui关系

iD=Is(eUD/UT-1)i1=iD≈IS eUD/UT UO=-UD 考虑上述各式得

UO=-UT㏑

Ui RIS2．指数运算电路(1)电路结构

对数电路中的二极管D与电阻R互换位置则构成指数电路。（2）Uo与Ui关系

UD=Ui-U-=Ui iD=Is eUi/UT

Uo=-iFR=-iDR=-IsR eUi/UT

6.2.6 乘法运算电路

模拟乘法器的符号如图，它有两个输入端，一个输出端，两个输入端分别加上输入信号Ux和Uy，则输出 Uo=kUxUy 式中k为运算系数，由生产厂家定。

若两个输入端联在一起，加上输入信号UI,可实现平方运算

即 Uo=kUI2

乘法器和集成运放配合可构成除法，开方，开立方等运算。除法电路如图： Ux1/R1=U2/R2 U2=kUoUx2

所以 Uo=-R2/(kR1)Ux1/Ux2 若选R2/R1=k 则有 Uo=-Ux1/Ux2 注意，此电路要求Ux2为正极 6.3 有源滤波电路 6.3.1低通滤波电路

图（a）的通带电压放大倍数为

Aup=(1+Rf/R1)截止角频率

ωO=1/RC 图（b）通带电压放大倍数

Aup=-Rf/R1

截止角频率

ωO=1/RfC 6.3.2 高通滤波电路

图(a)为同相输入的高通滤波电路 通带电压放大倍数 Aup=1+Rf/R 截止角频率 ωO=1/RC 图(b)为反相输入高通滤波电路 通带电压放大倍数 Aup=-Rf/R1 截止角频率 ωO=1/RfC

课堂讨论：1.两级运放构成的电路：

（1）各构成何种运算电路（2）分析uo与ui关系（3）指出虚短路、虚地

2.利用模拟乘法器能否实现倍频？

小

结：

• 运算电路(比例电路、加减法电路、微分与积分电路、对数与指数电路、乘法与除法电路等)；

• 小信号放大电路(精密放大电路、电荷放大电路和隔离放大电路等)； • 有源滤波电路(低通、高通、带通、带阻电路)； • 电压比较器(单限、滞回和窗口比较器)； • 集成乘法器及应用电路；

• 正弦波产生器(RC正弦振荡器、LC正弦振荡器、石英振荡器)； • 非正弦波发生器(矩形波、三角波及锯齿波发生器)； • 波形变换电路(三角波变锯齿波、三角波变正弦波)；

• 信号转换电路(电流-电压互换电路、电压-频道变换电路)。

布置作业:

P290-6.4 P291-6.8 P292-6.10 P294-6.15 ；6。16 P295-6.17；6.19 P296-6.22 P298-6.27

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