集成運算放大器模塊三144課題一集成運算放大器的線性應(yīng)用課題二蓄電池過壓、欠壓報警電路的安裝與檢測課題三整流濾波電路的仿真分析145課題一

集成運算放大器的線性應(yīng)用146學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解集成運算放大器的外形、符號、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)和電壓傳輸特性。2.了解共模信號、差模信號和共模抑制比的概念。3.能識別集成運算放大器的引腳及功能。4.能使用儀表完成集成運算放大器的相關(guān)特性的測試。5.能檢測集成運算放大器的質(zhì)量。147

任務(wù)1集成運算放大器的檢測任務(wù)引入集成運算放大器簡稱集成運放，它是一種多級直接耦合、高增益的集成放大電路，因最初多用于模擬信號的數(shù)字運算而得名，現(xiàn)已作為一種通用的高性能放大器件廣泛應(yīng)用于信號產(chǎn)生、信號處理、自動控制等各個方面，在許多情況下已經(jīng)取代分立元件放大器。本次任務(wù)將通過實際測量觀察集成運放的電壓傳輸特性，測量其線性輸入范圍并使用萬用表對集成運放的質(zhì)量進(jìn)行簡易檢測。148一、集成運放的外形與符號集成運放主要有金屬圓殼式封裝、雙列直插式封裝等形式，如圖所示。149相關(guān)知識集成運放外形a）金屬圓殼式封裝b）雙列直插式封裝

集成運放的圖形符號如圖所示，框內(nèi)“?”表示信號傳輸方向，“∞”表示開環(huán)增益極高。雖然集成運放有多個引腳，但在圖形符號上通常只標(biāo)出兩個輸入端和一個輸出端。同相輸入端標(biāo)“+”（或

“P”），表示相應(yīng)的輸出信號與該端輸入信號同相；反相輸入端標(biāo)“-”（或

“N”），表示相應(yīng)的輸出信號與該端輸入信號反相。150集成運放的圖形符號二、集成運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。151

集成運放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.輸入級輸入級通常是具有較大輸入電阻和一定放大倍數(shù)的差分放大電路，其靜態(tài)電流小，能較好地抑制零漂，具有良好的輸入特性。2.中間級中間級主要進(jìn)行電壓放大，要求有較高的電壓放大倍數(shù)，通常由多級共射極或共源極放大電路構(gòu)成，并經(jīng)常采用復(fù)合管。3.輸出級為了降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力，輸出級通常采用復(fù)合管射極輸出或互補對稱功率放大電路。4.偏置電路偏置電路為集成運放各級放大電路提供穩(wěn)定的偏置電流，從而確定合適而穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。152三、直接耦合放大電路的特殊問題集成運放內(nèi)部采用多級直接耦合方式。直接耦合放大電路的信號傳輸損失最小，但如果溫度發(fā)生變化或電源電壓發(fā)生波動，其影響會逐級傳遞放大，使輸出偏離零點，這種現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。也就是說，直接耦合放大電路的特殊問題是存在零漂。因此，抑制輸入級的零漂對于提高多級放大電路的溫度穩(wěn)定性尤為重要。153集成運放有兩個輸入端，如果從兩個輸入端分別輸入一對大小相等、極性相反的信號，稱為差模信號；從兩個輸入端分別輸入一對大小相等、極性相同的信號，則稱為共模信號。溫度發(fā)生變化或電源電壓發(fā)生波動對于集成運放的影響，相當(dāng)于從兩個輸入端輸入一對共模信號。因此，有效抑制共模信號就可以提高多級放大電路的溫度穩(wěn)定性。154四、集成運放的主要參數(shù)1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud此參數(shù)是指集成運放在無反饋情況下的差模電壓放大倍數(shù)，一般為1×103~1×107（60~140dB），高增益的集成運放

Aud可達(dá)170dB以上。2.開環(huán)差模輸入電阻rid此參數(shù)是指差模輸入時，集成運放的開環(huán)輸入電阻，一般在幾十千歐到幾十兆歐之間。國產(chǎn)高輸入阻抗集成運放的

rid

目前可達(dá)1×1012Ω以上。3.開環(huán)輸出電阻ro此參數(shù)是指集成運放無外加反饋時的輸出電阻，一般為20~200Ω。ro

越小，帶負(fù)載能力越強。1554.共模抑制比

KCMR共模抑制比定義為差模電壓放大倍數(shù)

Ad與共模電壓放大倍數(shù)

Ac

之比的絕對值：因為集成運放的共模抑制比數(shù)值很大，故通常用分貝表示。即共模抑制比

KCMR

的大小反映了集成運放對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力。KCMR

的數(shù)值越大，表明抑制零漂的能力越強，溫度穩(wěn)定性越好。一般應(yīng)在80dB以上。1565.最大輸出電壓

UOPP此參數(shù)是指集成運放在空載的情況下，最大不失真輸出電壓的峰-峰值。6.最大差模輸入電壓UIDM此參數(shù)是指集成運放兩個輸入端之間所能承受的最大差模輸入電壓，一般為±（5~30）V。7.最大共模輸入電壓UICM此參數(shù)是指集成運放兩個輸入端之間所能承受的最大共模輸入電壓，若超出此值，集成運放的共模抑制性能將明顯下降，甚至造成器件損壞。1578.輸入失調(diào)電壓UIO此參數(shù)是指當(dāng)輸入信號為零時，為使輸出電壓為零，在輸入端所加的補償電壓值。它反映集成運放輸入級差分放大部分參數(shù)的不對稱程度，UIO

越小越好，一般為毫伏級。9.靜態(tài)功耗PD此參數(shù)是指集成運放在輸入端短路、輸出端開路時所消耗的功率。158五、集成運放的理想化如圖所示為集成運放等效電路，圖中

Aud

表示開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，rid

表示開環(huán)差模輸入電阻，ro

表示開環(huán)輸出電阻。159

集成運放等效電路在分析各種具體的集成運放應(yīng)用電路時，為了使問題簡化，通常把集成運放看成一個理想器件，其理想特性主要有以下幾點：1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

Aud

→∞。2.開環(huán)差模輸入電阻

rid

→∞。3.開環(huán)輸出電阻

ro

→0。4.共模抑制比

KCMR→∞。5.沒有失調(diào)現(xiàn)象，即當(dāng)輸入信號為零時，輸出信號也為零。雖然實際的集成運放不可能達(dá)到理想的要求，但在分析估算集成運放應(yīng)用電路時，通常將實際的集成運放當(dāng)作理想器件進(jìn)行分析，條件是由此產(chǎn)生的誤差不超出工程允許的范圍。160學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握理想集成運放工作于線性區(qū)的特點。2.掌握由集成運放組成的比例運算、加減運算、微分運算、積分運算電路的功能，能運用“虛短”和“虛斷”的概念分析上述電路的輸入、輸出關(guān)系。3.能應(yīng)用Multisim軟件探究反相輸入運算、同相輸入運算和反相加法運算電路的功能。4.能完成反相加法運算電路的安裝與調(diào)試。161任務(wù)2

集成運算放大器線性應(yīng)用電路的仿真、安裝與調(diào)試任務(wù)引入集成運放的電壓傳輸特性分為線性區(qū)和非線性區(qū)，集成運放的應(yīng)用相應(yīng)也有線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用兩種方式。本次任務(wù)主要分析由集成運放構(gòu)成的反相輸入運算、同相輸入運算和反向加法運算等電路。在這些電路中，集成運放都必須工作在電壓傳輸特性曲線的線性區(qū)。162一、理想集成運放工作于線性區(qū)的特點由于理想集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)趨于無窮大，因此電路中必須引入負(fù)反饋才能保證集成運放工作在線性區(qū)。163相關(guān)知識這時輸出電壓與輸入電壓滿足線性放大關(guān)系，即Uo=Aud（UP

-UN）式中，Uo

為有限值，而理想集成運放的

Aud

→∞，因而凈輸入電壓

UP-UN=0，即

UP=UN。這一特性稱為“虛短”，如果有一輸入端接地，則另一輸入端也非常接近地電位，稱為“虛地”。又因為理想集成運放輸入電阻

rid

→∞，所以兩個輸入端口輸入電流也均為零，即

iP=iN=0。這一特性稱為“虛斷”。164二、反相輸入運算電路1.反相比例運算電路電路如圖所示，其特點是輸入信號和反饋信號都加在集成運放的反相輸入端。165反相比例運算電路2.反相加法運算電路反相加法運算電路實質(zhì)上是在反相比例運算電路的基礎(chǔ)上，增加幾個輸入支路而得到的，如圖所示。166反相加法運算電路三、同相輸入運算電路電路如圖所示，利用“虛短”特性（注意：同相輸入時無“虛地”特性），可得uP=uN=ui167

同相輸入運算電路又根據(jù)

“虛斷”

特性，iN=0，可得所以uo

與

ui

同相，故稱同相放大器，又稱同相比例運算放大器。168若令

Rf=0，R1=∞（即開路狀態(tài)），如圖所示，則比例系數(shù)

Auf

為1，電路稱為電壓跟隨器。169電壓跟隨器四、差分輸入運算電路（減法運算電路）電路如圖所示。電路采用差分輸入形式，即反相端和同相端都輸入信號，其輸出信號與兩個輸入端信號的差值之間實現(xiàn)比例運算關(guān)系。按外接電阻的平衡要求，應(yīng)滿足R1∥Rf=R2∥R3

。170減法運算電路根據(jù)疊加原理，先求

ui1

單獨作用時的輸出電壓：再求

ui2

單獨作用時的輸出電壓：則

ui1

與

ui2

共同作用時：當(dāng)

R1=R2，且

Rf=R3

時，上式化簡為171五、積分運算電路在如圖所示電路中，當(dāng)輸入脈沖電壓上升時，電容器C充電，輸出電壓

uo（即uC）隨時間增大而逐漸增大，當(dāng)電荷量充足后，輸出電壓便不會再增大。但如果脈沖寬度較小，在輸出達(dá)到穩(wěn)定值之前，脈沖電壓已變?yōu)榱?，則電容器轉(zhuǎn)為放電，而最終電壓也變?yōu)榱?。電容器充放電速度的快慢，取決于電阻

R和電容

C乘積的大?。é?RC稱為時間常數(shù)）。172173積分電路及其波形a）原理電路b）輸入、輸出信號波形電容器兩端的電壓

uC

與流過電容器的電流

iC

之間存在積分的關(guān)系，即它反映了

uC

在輸入脈沖寬度時間內(nèi)的累積變化情況。若將反相放大器中的反饋電阻Rf

用電容器C代替，便構(gòu)成積分運算電路，如圖所示。174積分運算電路六、微分運算電路在如圖所示電路中，當(dāng)輸入脈沖（設(shè)

RC?tp，tp

為脈沖寬度）電壓急劇上升時，這個瞬間的脈沖電壓幾乎全部加在電阻R上。此后，隨著電容器C的充電，電阻兩端電壓（uo）逐漸下降。當(dāng)電容器充滿電后，充電電流為零，輸出電壓也為零。當(dāng)輸入脈沖降為零時，電容器放電。因為放電電流的方向與充電時相反，所以輸出波形反向。175176微分電路及其波形a）原理電路b）輸入、輸出信號波形流過電容器的電流

iC

與電容器兩端的電壓uC

之間存在微分關(guān)系，即它反映了

iC

在輸入脈沖突變時短時間內(nèi)的變化情況。將積分運算電路中的電容器C和電阻R的位置互換，便可構(gòu)成微分運算電路，如圖所示。177

微分運算電路課題二蓄電池過壓、欠壓報警電路的安裝與檢測178學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握理想集成運放工作于非線性區(qū)的特點。2.了解單門限電壓比較器的組成、工作原理和應(yīng)用。3.了解遲滯比較器的組成、工作原理和應(yīng)用。4.能完成蓄電池過壓、欠壓報警電路的安裝與檢測。179任務(wù)引入集成運放的同相輸入端、反相輸入端可以加入被比較電壓及基準(zhǔn)電壓，從而構(gòu)成電壓比較器。這時，集成運放工作在電壓傳輸特性曲線的非線性區(qū)。電壓比較器廣泛應(yīng)用于自動控制、自動測量、波形變換等電路中。本次任務(wù)將完成蓄電池過壓、欠壓報警電路的安裝與檢測，了解集成運放工作在非線性區(qū)的特點及其典型應(yīng)用。180一、理想集成運放工作在非線性區(qū)的特點當(dāng)集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或電路引入了正反饋時，集成運放工作于非線性區(qū)。由于理想集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)無窮大，所以只要輸入無窮小的差值電壓，輸出電壓就會達(dá)到正的最大值或負(fù)的最大值，其特點如下：181相關(guān)知識當(dāng)uP>uN

時，uo=+Uom；當(dāng)

uP<uN

時，uo=-Uom

。uP≠uN，可見，理想集成運放工作在非線性區(qū)時電路不再有“虛短”

特性。又由于理想集成運放的開環(huán)差模輸入電阻

rid=∞，故凈輸入電流為零，即

iP=iN=0?？梢?，理想集成運放工作在非線性區(qū)時仍具有“虛斷”特性。182二、單門限電壓比較器單門限電壓比較器就是只與一個門限電壓相比較的電壓比較器。在如圖a所示的單門限電壓比較器中，UR

為已知的參考電壓（即門限電壓），加在集成運放的同相輸入端，輸入電壓

ui

加在反相輸入端。183單門限電壓比較器a）原理電路b）UR>0時的傳輸特性曲線c）UR<0時的傳輸特性曲線d）UR=0時的傳輸特性曲線若

UR>0，則單門限電壓比較器的傳輸特性曲線如上圖b所示。當(dāng)輸入電壓

ui

大于參考電壓UR

時，集成運放輸出電壓為-Uom；當(dāng)輸入電壓

ui

小于參考電壓

UR

時，集成運放輸出電壓為+Uom

。若

UR<0，則單門限電壓比較器的傳輸特性曲線如上圖c所示。若

UR=0，則單門限電壓比較器又稱為過零比較器，其傳輸特性曲線如上圖d所示。利用電壓比較器可以實現(xiàn)波形變換。184三、遲滯比較器遲滯比較器又稱施密特觸發(fā)器，它是一種雙門限電壓比較器，其原理電路與傳輸特性曲線如圖所示。185遲滯比較器的原理電路與傳輸特性曲線a）原理電路b）傳輸特性曲線輸出電壓

uo

經(jīng)Rf

和R1分壓后加到集成運放的同相輸入端，形成正反饋。由于輸出有兩種可能的電壓值，所以門限電壓也有兩個相應(yīng)的值。當(dāng)

uo=+Uom

時，門限電壓用

UP1

表示，根據(jù)疊加原理，可得當(dāng)輸入電壓

ui

逐漸增大至

ui=UP1

時，輸出電壓

uo

發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由+Uom

跳變?yōu)?Uom，門限電壓隨之變?yōu)?86當(dāng)

ui

逐漸減小，直至

ui=UP2

時，輸出電壓再度翻轉(zhuǎn)，由-Uom

跳變?yōu)?Uom

。兩個門限電壓之差稱為回差電壓，用ΔUP

表示，可得上式表明，回差電壓ΔUP

與參考電壓

UR

無關(guān)。利用雙門限電壓比較器可以大大提高抗干擾能力。187低頻功率放大器模塊四188課題一OTL功率放大電路的安裝與檢測課題二用LM386構(gòu)成的集成功率放大電路189的安裝與檢測課題一OTL功率放大電路的安裝與檢測190學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解功率放大電路的特性和類型，能估算功率放大電路的輸出功率。2.理解交越失真的概念，以及消除交越失真的方法。3.掌握OTL功率放大電路的工作原理，能按工藝要求安裝、檢測OTL功率放大電路，并排除簡單故障。191任務(wù)引入在實際應(yīng)用中，放大電路的輸出信號必須能驅(qū)動一定的負(fù)載，例如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、數(shù)據(jù)或圖像顯示、電動機轉(zhuǎn)動等，所以多級放大電路必須有一個能輸出一定功率的輸出級。這類主要用于向負(fù)載提供足夠大功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。功放中使用半導(dǎo)體三極管作為主要器件，稱為功率放大管，簡稱功放管。本任務(wù)的內(nèi)容就是完成OTL功放電路的安裝與檢測。192一、功率放大電路的類型1.按靜態(tài)工作點位置分類（1）甲類功率放大電路功放管的靜態(tài)工作點設(shè)置在放大區(qū)中間，在輸入信號的整個周期內(nèi)都處于放大狀態(tài)。其具有輸出信號失真小但轉(zhuǎn)換效率低的特點。193相關(guān)知識（2）乙類功率放大電路功放管的靜態(tài)工作點設(shè)置在放大區(qū)與截止區(qū)的交界處偏于截止區(qū)的一側(cè)，僅在輸入信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通。輸出只有半波信號，需要使用兩個功放管組合起來交替工作，合成出一個完整的全波信號。其具有轉(zhuǎn)換效率高但失真大的特點。（3）甲、乙類功率放大電路功放管的靜態(tài)工作點設(shè)置在放大區(qū)與截止區(qū)的臨界點上，靜態(tài)時功放管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通時間略大于輸入信號的半個周期且小于一個周期。此類功放具有較高的轉(zhuǎn)換效率且失真小，是應(yīng)用非常廣泛的一種類型。1942.按輸出端耦合方式分類按功率放大電路輸出端耦合方式不同，可分為變壓器耦合功率放大電路、無輸出變壓器功率放大電路（OTL電路）和無輸出電容器功率放大電路（OCL電路）。早期的功率放大電路常采用變壓器耦合方式，利用其阻抗變換特性使負(fù)載獲得最大功率，但由于變壓器體積大、笨重、頻率特性差，且不便于集成化，因此已很少應(yīng)用。OTL和OCL電路都不使用輸出變壓器，且都有集成電路，在電子產(chǎn)品中應(yīng)用較廣泛。195二、OTL功率放大電路1.電路組成及工作原理OTL功率放大電路也稱單電源供電乙類互補對稱功率放大電路，如圖所示。

其中VT1是NPN型管，VT2是PNP型管，兩管特性對稱，接成射極輸出形式，輸出電阻小，能直接與低阻抗負(fù)載匹配。大容量的電容器C既是輸出耦合電容器，同時又可充當(dāng)VT2的等效直流電源。196OTL功率放大電路靜態(tài)時，前級電路應(yīng)使基極對地電位

VB=VCC/2，由于VT1和VT2特性對稱，所以發(fā)射極對地電位

VA也是

VCC/2，通常把該點電位稱為中點電位。此時VT1和VT2都處于截止?fàn)顟B(tài)，IBQ=ICQ=0，此時電路為乙類功率放大電路。輸入信號為正半周期時，VT1導(dǎo)通，VT2截止，電源

VCC

通過VT1向電容器充電，電流流過負(fù)載，如上圖中實線所示。輸入信號為負(fù)半周期時，VT2導(dǎo)通，VT1截止，電容器C經(jīng)過VT2向負(fù)載放電，如上圖中虛線所示。197功放管VT1和VT2交替工作，在負(fù)載上獲得由正、負(fù)半周期組合成的完整輸出波形。耦合電容器C在工作過程中不斷地充放電，但因電容量足夠大，所以兩端電壓基本維持在

VCC/2。忽略功放管的飽和壓降，負(fù)載可獲得的最大功率為1982.實用的OTL功放電路（1）交越失真及其消除方法OTL功放電路工作在乙類狀態(tài)，由于三極管導(dǎo)通電壓的存在，輸出信號會在正、負(fù)半周期的交界處產(chǎn)生失真，稱為交越失真。交越失真波形如圖所示。199交越失真波形消除交越失真的方法是給功放管的發(fā)射結(jié)加上很小的正向偏置電壓，使其在靜態(tài)時處于微導(dǎo)通狀態(tài)，這樣輸入信號一旦加入，功放管立即進(jìn)入線性放大區(qū)，從而克服了交越失真。如圖所示電路為實用的OTL功放電路，其中R5和二極管VD就是為消除交越失真而設(shè)置的。調(diào)節(jié)RP可以調(diào)節(jié)功放管的靜態(tài)工作點。二極管VD的正向壓降隨溫度升高而降低，因此對功放管還能起到一定的補償作用。200201

實用的OTL功放電路（2）復(fù)合管的應(yīng)用在實際應(yīng)用中，為了提高放大電路的性能，特別是電流放大系數(shù)，有時會把兩個以上的三極管按一定方式連接起來構(gòu)成復(fù)合管作為功放管。連接時以小功率管作為輸入管，大功率管作為輸出管，如圖所示。202幾種典型的復(fù)合管形式復(fù)合管的電流放大系數(shù)

β

約等于兩只管

β1

、β2

的乘積，即β=β1

β2復(fù)合管的組成原則如下：1）應(yīng)保證復(fù)合管中每一只三極管的各極電流都有合適的通路，并且都工作在放大狀態(tài)。2）應(yīng)將第一只三極管的集電極或發(fā)射極電流作為第二只三極管的基極電流。3）復(fù)合管的導(dǎo)電類型由第一只三極管的類型決定。203三、OCL功率放大電路OCL功率放大電路也稱雙電源供電乙類互補對稱功率放大電路，如圖所示。204OCL功率放大電路OCL與OTL電路原理很相似，區(qū)別有以下兩點：1.OTL電路中的輸出耦合電容器起負(fù)電源的作用，如果用一個負(fù)電源取代它，就構(gòu)成了OCL電路。2.OCL電路采用直接耦合方式，所以低頻響應(yīng)優(yōu)于OTL電路，而且更便于集成化。忽略功放管的飽和壓降，負(fù)載可獲得的最大功率為205四、功放管的安全使用為了保證功放管的安全工作，在實際電路中，常采用一些保護措施，以防止功放管過電壓、過電流和過功耗。1.功放管的散熱降低功放管結(jié)溫的常見措施是安裝散熱器。在電氣絕緣允許的情況下，可以把功放管直接安裝在金屬機箱或金屬底板上。若功放管集電極（管殼）與散熱器之間需要絕緣，可墊入薄云母片或?qū)Ｓ媒^緣導(dǎo)熱膜，并于各接觸面之間涂以硅脂（一種導(dǎo)熱絕緣材料）。必要時可加大散熱器或采用強制風(fēng)冷，這樣散熱效果會更好。2062.功放管的保護（1）限制輸入、輸出幅度在功放管的輸入、輸出端并聯(lián)保護二極管或穩(wěn)壓二極管，如圖所示。VZ1、VZ2可限制輸入信號幅度，VZ3~VZ6可限制輸出信號幅度。207功放管的保護（2）對感性負(fù)載進(jìn)行相位補償為了防止由于接入感性負(fù)載而使功放管出現(xiàn)過電壓或過電流現(xiàn)象，可在感性負(fù)載（如揚聲器）兩端并接RC串聯(lián)電路，這稱為相位補償網(wǎng)絡(luò)。它由小阻值的電阻器R和大容量的電容器C構(gòu)成，這樣，一旦功放管的輸出信號發(fā)生突然變化，感性負(fù)載產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就會加到補償網(wǎng)絡(luò)兩端，起到緩解作用，避免了對功放管的沖擊。208五、功放管的選擇選擇功放管的主要依據(jù)是功率放大器的最大輸出功率

Pom

和電源電壓

VCC，并且和功率放大器的類型有關(guān)。功放管工作在大信號放大狀態(tài)，流入功放管的電流iB

、iC，加在功放管上的電壓

uBE

、uCE

都在很大范圍內(nèi)變化，但是必須限制在極限參數(shù)范圍內(nèi)，