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第七章集成运算放大器的应用


第七章 集成运算放大器的应用
本章是本课程的重点章节之一,应着重掌握以下内容: 本章是本课程的重点章节之一,应着重掌握以下内容: (1)集成运放工作在线性区和非线性区的条件和特点 (2)比例运算电路的结构、特点,Uo 与 Ui 的特点 (3)求和运算电路的结构特点,分析方法 (4)积分运算电路的结构,输出输入关系 (5)简单电压比较强的分析方法,会计算 UT,花电压传输

特性,画 UO 波形 本章内容 (1)集成运放应用基础 (2)运算电路 (3)有源滤波电路 (4)电压比较器 电子课件五. 电子课件五. 集成运算放大器的应用

课时授课教案

批准人 : 课 序 19 课 题: 第 7 章 授课日期 第 7.1 节 集成运放的应用基础 第 7.2 节 运算电路

授课计划
批准日期: 批准日期: 授课班次

目的要求: 目的要求:1.深刻理解集成运放工作在线性区的条件和特点 2. 掌握反相比例运算电路的结构、工作原理及特点 3.掌握同相比例运算电路的结构、工作原理及特点 4.掌握电压跟随器的电路结构、工作原理 重点难点: 反相和同相比例运算电路的结构特点及Uo 与Ui 的关系 重点难点: 重点 理解集成运算工作在线性区的条件和特点 难点 教学方法 手 教 段: 电子课件、课堂提问、课堂讨论、启发式 具: 电子课件 1.知集成运放的Ao,据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? 同相比例和反相比例电路分别作为一、二级组成两级放大电路 讨论其输出电压与输入电压之间的关系

复习提问

课堂讨论

布置作业 本章思考题与习题3、4、7、8 课时分配

课堂教学环节 时间分配 (分钟)

复习提问 20

新课讲解 55

课堂讨论 15

每课小结 8

布置作业 2

二 授课内容
7.1 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 复习: 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 ± U OM = ±12V , Aod = 10 6 则最大线性输入电压为 Uimax = 6 = 12 ?v ,即只有 10

U i ≤ 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。 7.1.1 理想运放的条件 理想条件: Aod = ∞, rid = ∞, ric = ∞, r0 = 0, CMMR = ∞, U IO = 0, I io = 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 7.1.2 理想运放工作在线性区的特点 在线性区 U 0 = Aod (U + ? U ? )

U+ ?U? =
Ii =

U0 = 0 U+ = U? Aod

虚短路

U+ ?U? =0 rid

虚开路

虚短路、虚开路是分析集成运放线性应用电路的出发点。

7.2 运算电路 7.2.1 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 / 虚路 有 \ 虚开

i1 = i2

虚开

Ui U =? 0 R1 R2

U0 = ?
Au = ?
若 R2 = R1

R2 Ui R1
R2 Ui R1

则 U 0 = ?U i , Au = 1 称为反相器或反号器

平衡电阻 RP = R1 R2 (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 U ic = 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

i1 = i2

虚开

/ 虚路 有

\ 虚开

Ui U ? Ui =? 0 R1 R2 U 0 = (1 + R2 ) R1 R2 )U i R1

整理后

Au = (1 +

(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 U ic = U i ,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 小结: 小结: 1.分析集成运放线性应用电路的出发点 2.对反相比例和同相比例运算电路进行全面比较

课时授课教案

批准人: 批准人: 课序: 课序: 20 授课日期: 授课日期:

授课计划
批准日期: 批准日期: 授课班次: 授课班次:

课题: 课题: 第 7 章 第 2 节 运算电路 目的要求: 目的要求: 1.掌握差动比例运算电路的结构,分析方法及特点。 2.掌握求和电路及和差电路的电路结构,uo 与 ui 的关系。

重点难点: 重点难点: 重点:差动比例运算电路,反相求和电路 难点:同相求和电路 教学方法 手 段: 电子课件,课堂提问,课堂讨论,启发式 教具: 教具: 复习提问: 复习提问: 电子课件 在同向比例运算电路的同相输入端接一电阻到地,uo 与 ui 关系如 何?

课堂讨论: 课堂讨论:

1.两级运放构成的电路: (1)各构成何种运算电路 1. (2)分析 uo 与 ui 关系 (3)指出虚短路、虚地 (1) (3) 12 (a) (b) (d)

布置作业: 布置作业: 本章思考题与习题:10

课时分配: 课时分配: 课堂教学环节 复习(提问) 新课讲解 课堂讨论 每课小结 布置作业 时间分配(分钟) 20 50 20 8 2



授课内容

复习: 复习: 在同相比例运算电路的同相输入端,接一个电阻到地,分析此电路的 Uo 与 Ui 关系。

7.2.2 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 7.2.3 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

小结 1. 反相求和与同相求和运算电路的比较 2. 单个运放构成的和差运算电路与两级运放构成的和差运算电路的比较

课时授课教案

批准人: 批准人: 课序: 课序: 21 课题: 课题: 授课日期: 授课日期:

授课计划
批准日期: 批准日期: 授课班次: 授课班次:

第 7 章 第 7.2 节 运算电路 (7.2.4——7.2.6) 第 7.3 节 有源滤波电路

目的要求: 目的要求: 1.掌握积分运算电路的电路组成,输入输出关系。 2.了解微分运算电路,对数和指数运算电路。 3.熟悉模拟乘法器在乘法,除法等运算电路中的应用。 4.了解有源滤波电路。 。 重点难点: 重点难点: 重点 难点 教学方法 手 段: 教具: 教具: 复习提问 课堂讨论 积分运算电路 有源滤波电路

电子课件,课堂提问,课堂讨论,启发式 电子课件 两级运放电路分析(第一级反相求和,第二级差动运算) 1.利用模拟乘法器能否实现倍频? 2.若能实现,画出电路图并分析。

布置作业: (b) (d)26. 布置作业: 本章思考题与习题 13.(a) 课时分配: 课时分配: 课堂教学环节 时间分配(分钟) 复习提问 15 新课讲解 60 课堂讨论 15 每课小结 8 布置作业 2

二 授课内容
7.2.4 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。 2. 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 7.2.5 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 RI S

2. 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 e

Ui/UT

Uo=-iFR=-iDR=-IsR e 7.2.6 乘法运算电路

Ui/UT

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=kUI 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
2

7.3 有源滤波电路 7.3.1 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 低通滤波电路的幅频特性如图示 7.3.2 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 高通滤波电路的幅频特性如图示: 小 结

1. 积分运算电路能起到波形变换作用 2. 模拟乘法器与集成运放配合可构成多种运算电路 3. 有源滤波器按工作频率分类及对应的频率特性

课时授课教案

批准人: 批准人: 课序: 课序:22 课题: 课题: 授课日期: 授课日期: 第 7 章

授课计划
批准日期: 批准日期: 授课班次: 授课班次:

第 4 节 电压比较器

目的要求: 目的要求: 1.掌握集成运放工作在非线性状态的分析方法。 2.掌握简单电路比较器的分析方法。 3.熟悉滞回比较器和窗口比较器电路。

重点难点: 重点难点: 重点 简单电压比较器 难点 滞回比较器 教学方法 手 段:

电子课件 课堂提问

课堂讨论

启发式

教具: 教具:

电子课件

复习提问: 复习提问: 1.集成运放在什么情况下工作在非线性状态? 2.集成运放工作在非线性状态 UO 与 UI 的关系如何?

课堂讨论: 课堂讨论:

简单电压比较器电路求 UTH,画出电压传输特性和 UO 波形

布置作业: 布置作业:

本章思考题与习题

36

37

38 (a) (b) (c) (d) (e).

课时分配: 课时分配: 课堂教学环节 复习提问 时间分配(分钟) 15 新课讲解 60 课堂讨论 15 每课小结 8 布置作业 2

二、授课内容
7.4 电压比较器 复习: 复习:集成运放非线性应用的条件及特点

集成运放开环或集成运放外部电路连成正反馈, 则集成运放工作在非线性 区 集成运放工作在非线性区,输出只有两种状态。 U+ > U?
U+ < U? U+ = U? U 0 = U 0H U 0 = U 0L

是输出状态发生跳变得时刻

集成运放非线性应用时,虚开路仍然适用 7.4.1 简单电压比较器 1. 同相输入简单比较器 由图知 Ui 加到运放的同相端,参考电压 UR 加到反相输入端,集成运放 开环应用。 阀值电压 U TH = U R ,设 UR 为正,电压传输特性如图示 知 Ui 为正弦波对应画出 U0 波形如图示 2. 输入有保护输出有限幅的反相输入简单比较器 电路如图,由图知, U TH = U R
U i > U THR 时 U 0 = U oL = ?U Z U i < U THR 时 U 0 = U oL = +U Z

设 UR 为负,电压传输特性如图示 7.4.2 滞回比较器 简单比较器灵敏度高,但稳定性差,滞回比较器可解决稳定性差的问题, 反相输入滞回比较器电路如图所示,电路引入正反馈, 经分析可得两个阀值电压分别为

U TH 1 =

R3 R2 UR + U OH R2 + R3 R2 + R3 R3 R2 UR + U OL R2 + R3 R2 + R3

U TH 2 =

若设 U R = 0 ,则电压传输特性如图示 7.4.3 窗口比较器 简单比较器和滞回比较器,当输入信号单方向变化时, U R 只跳变一次,因 此只能与一个电平进行比较。如果要判断 Ui 是否在某两个电平之间,可采用窗

口比较器。 一种窗口比较器电路如图示,两个参考 U A 与 U B 要求: U A 〉 U B 当 U i > U A > U B 时, U o1 为高电平, U o2 为低电平: D1 导通 D2 截至,

U 0 = U 01 = U 0 H
当 U i < U B < U A 时, U o1 为低电平, U o2 为高电平: D1 截至 D2 导通,

U 0 = U 02 = U 0 H
当 U A > U i > U B 时,同样分析知 U 0 = U 01 = U 02 = U OL 电压传输特性如图示

小结 1.分析集成运放工作在非线性状态的条件与特点 2.分析电压比较器应抓住哪些要点 3.电压比较器可将输入的模拟信号转换成输出具有高低电平特点的数字信号


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