《电子技术基础与技能》 课件 3-2 集成运算放大器

电子技术基础与技能3.2集成运算放大器教学活动1：认知集成运算放大器3.2集成运算放大器【实践导入】集成运算放大器的放大作用图3-­2-1集成运算放大器的应用电路2.分别将电位器RP1分别调至最小、最大值1.输入1KHZ、Up-p=0.5V的正弦信号3.比较两次的输出大小教学活动1：认知集成运算放大器放大作用【集成运算放大器的放大作用的验证】按照图3-2-1分别搭建电路，验证集成运算放大器的放大作用。参考参数：直流电源：9V电阻：20kΩ、10kΩ、5.1kΩ电位器：20kΩ集成电路：CF7413.2集成运算放大器主要仪器：示波器、函数信号发生器、直流稳压电源教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识一、直接耦合放大器产生零漂的原因主要有电源电压波动、温度变化、元器件老化等，其中温度变化是最主要的因素。抑制零漂的有效措施通常是在直接耦合多级放大器的第一级采用差分放大器（又称差动放大器）1．零点漂移直接耦合放大器的输入端短路（输入为零），从理论上说，输出应该在某一值保持不动，称为放大器输出端的起始值。当输入信号为零，输出电压偏离起始值的现象称为零点漂移现象（如图3-2-2），简称零漂。图3­-2-2零点漂移现象教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识2．典型差分放大电路图3­-2-3

典型差分放大电路（1）典型差分放大电路的结构教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识2．典型差分放大电路图3-­2-3所示为一种典型的双端输入、双端输出差分放大器，该电路由两个完全对称的单管放大电路组成。理想情况下，电路左右完全对称，VT1、VT2是两个一样的三极管，RB1=RB2

，RC1=RC2。电路由+VCC、-VEE双电源供电，负电源的作用是扩大三极管的动态范围。电位器RP是调零电阻，因为实际上电路不可能完全对称，所以可以通过RP来调整静态工作点，使静态时输出电压为零。教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识2．典型差分放大电路因电路完全对称，所以在没有输入信号即ui＝0时，有IC1＝IC2、UO1＝UO2，输出UO＝UO1－UO2＝0。当温度变化时，根据对称原则，两管输出电压的变化量相等，使UO1′＝UO2′，输出电压UO′＝UO1′－UO2′＝0。可见，两管的零漂在输出端相互抵消，从而有效地消除了整个放大器输出端的零漂。（2）典型差分放大器抑制零漂的原理（3）共模抑制比KCMRAud为差分放大器的差模放大倍数，代表差分放大器对差模信号的放大能力；Auc为差分放大器的共模放大倍数，代表差分放大器对共模信号的放大能力。共模抑制比KCMR越大，差分放大器的性能越好。教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识2．典型差分放大电路所谓差模信号，即大小相等而极性相反的两个信号。图3­-2-4（a）中的u1和u2是一对差模交流电压。在图3­-2-3所示电路中，输入信号经R1和R2被分解为ui1和ui2，且ui1＝－ui2＝

，作为差模信号输入放大器放大。所谓共模信号，即大小相等且极性相同的两个信号。图3­-2-4（b）、（c）中的u3和u4是一对共模交流电压。在图3­-22所示电路中，温度对两个单管放大器产生的影响，相当于给它们加入了一组共模输入信号。图3-­2-4差模信号与共模信号教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识二、集成运放及其主要参数集成运算放大器（简称集成运放或运放）是一种内部为直接耦合的高放大倍数的集成电路。1.集成运放的结构及符号图3-2-5集成运算放大器的结构

图3-2-6运算放大器的图形符号教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识二、集成运放及其主要参数集成运算放大器（简称集成运放或运放）是一种内部为直接耦合的高放大倍数的集成电路。2.集成运算放大器的封装及引脚功能图3-2-7集成运放的封装形式与引脚排列教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识二、集成运放及其主要参数（1）开环电压增益Auo3.集成运放的主要参数Auo是指集成运放在无外加反馈的开环情况下，工作于线性区时对差模信号的电压增益。该参数更多地是用来反映运算精度，Auo越大，运算精度就越高。（2）输入电阻ri和输出电阻rori是指集成运放开环情况下两输入端之间对差模输入信号所体现出的动态电阻。该参数越大的运放性能越好。ro是指集成运放开环下的输出端对地的动态电阻。该参数小的运放性能好。教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识二、集成运放及其主要参数（3）共模抑制比KCMR3.集成运放的主要参数KCMR是指开环下工作时，集成运放的差模电压增益Aud与共模电压增益Auc之比的绝对值。通常表示为对数形式，即KCMR（dB）=

（dB）4.集成运算放大器的理想特性①输入信号为零时，输出端应恒定地处于零电位；②输入阻抗为无穷大；③输出阻抗为零；④通频带零到无穷；⑤开环电压放大倍数无穷大。KCMR的大小体现了集成运放抑制零点漂移的能力强弱。教学活动2：认知集成运算放大器的基础知识3.2集成运算放大器3.2.1集成运放的基础知识二、集成运放及其主要参数4.集成运算放大器的理想特性对于理想运放，由于输入阻抗无穷大，所以输入电流为零，即I+=I_=O，称为虚断；运放的增益是某个一定值，由

知，两输入端等电位，即V+=V-，称为虚短。这两个特性是分析集成运放电路的重要依据。教学活动3：认知集成运算放的典型产品3.2集成运算放大器3.2.2集成运放的典型产品一、CF741通用型单运放图3-­2-8

CF741的实物外形CF741与国外LM741、μA741、MC741等型号可互换使用，是最通用的集成运放之一，有金属圆壳封装与塑料双列直插式封装两种。图3-2-8所示是CF741的实物外形教学活动3：认知集成运算放的典型产品3.2集成运算放大器3.2.2集成运放的典型产品二、OP07低噪声高精度单运放图3-­2-9OP07的实物外形OP07具有非常低的输入失调电压（最大为25μV），在很多应用场合不需要额外的调零措施，且输入偏置电流低（±2nA）、电源电压范围大（±3～±22V）、开环增益高（300V/mV）。这种输入失调电压低、开环增益高的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。教学活动3：认知集成运算放的典型产品3.2集成运算放大器3.2.2集成运放的典型产品三、CF747型双运放图3-­2-11

CF747的引脚排列CF747由两个独立的单运放组成，与国外LM747、μA747、MC747等型号可互换使用。图3-­2-11所示为双列直插式CF747的引脚排列。教学活动3：认知集成运算放的典型产品3.2集成运算放大器3.2.2集成运放的典型产品四、LM324型四运放图3-­2-12

LM324的引脚排列LM324是含有四个集成运放的集成组件，与F324、D6324、LA6324等型号可代换使用。图3-2-12所示为双列直插式LM324的引脚排列。教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路一、反相比例运算电路图3-­2-13

反相比例运算电路如图3-2-13所示为反相比例运算电路，该电路的放大电路为集成运放，Rf

、R1

引入电压并联负反馈以使集成运放工作于线性区。教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路一、反相比例运算电路图3-­2-13

反相比例运算电路由虚断知：i－≈0，这样

；i+≈0，这样v+=-R2i+≈0。由虚短知：

v+=v-

≈0。反相输入端并没有接地，却具有接地的特点，这一性质称为“虚地”。“虚地”是工作于线性区的理想集成运放仅采用反相输入时的一个重要特性。由，可得输出电压与输入电压的关系为

，即。放大电路的闭环电压放大倍数

（“-”表示输入输出反相）教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路一、反相比例运算电路图3-­2-13

反相比例运算电路集成运放两输入端电阻与外电路中的对地交流电阻要尽可能相等，即

；当满足条件R1=Rf

，

时，

，

这种电路称为反相器。教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路【经典例题】例题3-3

反相比例运算电路如图3-­2-13所示。已知R1＝10kΩ，Rf＝50kΩ，Ui＝－0.2V，试求UO及R2的值。图3-­2-13

反相比例运算电路解：（1）根据式

可得

（2）

教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路二、同相比例运算电路图3-­2-14

同相比例运算电路如图3-2-14所示为同相比例运算电路，电路采用同相输入方式，

R1、Rf

引入深度的电压串联负反馈以使集成运放工作于线性区，。教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路二、同相比例运算电路图3-­2-14

同相比例运算电路由虚断和虚短知

，

。由欧姆定律得，。得闭环增益

（uo与ui同相）

教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路二、同相比例运算电路图3-­2-15

电压跟随器当满足条件

时，uo=ui

，即Rf=0，对应地R1取∞，R2取0，这样电路称为电压跟随器，如图3-2-15所示。跟随器具有电压跟随性好、输入阻抗极大、输出阻抗较小等优点，在电子线路中具有广泛的应用。教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路【经典例题】例题3-4同相比例运算电路如图3­-2-14所示。已知R1＝10kΩ，Rf＝20kΩ，Ui＝0.5V，试求UO及R2的值。图3-­2-14

同相比例运算电路解：（1）根据式

可得

（2）教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路三、加法比例运算电路图3-2-16所示为反相输入端构成的加法比例运算电路。电路采用反相输入方式，R1、R2、R3、Rf引入电压并联负反馈以使集成运放工作于线性区，R4=R1//R2//R3//Rf。图3-2-16加法比例运算电路教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路三、加法比例运算电路由“虚断”知：由反相输入时的“虚地”特性知：可得若取R1=R2=R3=R，

，电路实现加法比例运算。

教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路【经典例题】例题3-5加法比例运算电路如图3­-2-16所示。已知R1=R2=R3=10kΩ，Rf＝20kΩ，Ui1＝0.5V，Ui2＝0.1V，Ui1＝1.4V，试求UO的值。解：根据式

可得图3-2-16加法比例运算电路教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路四、减法比例运算电路图3-2-17所示为减法比例运算电路，集成运放的两个输入端均有输入信号作用，R2、Rf引入深度的负反馈以使集成运放工作于线性区，R1//R3=R2//Rf（通常取R1=R2，R3=Rf）。图3-2-17减法运算电路教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路四、减法比例运算电路由“虚断”知：,。

由反相输入时的“虚地”特性知：可得若取R1=R2，R3=Rf，则有

，电路实现输入量的减法比例运算。若R1=R2=R3=Rf，则有uo=ui1-ui2，电路实现减法运算。教学活动4：集成运算放的线性应用电路3.2集成运算放大器3.2.3集成运放的线性应用电路【经典例题】例题3-6减法比例运算电路如图3­-2-17所示。已知R1=R2=10kΩ，R3=Rf=20kΩ，Ui1＝1.5V，Ui2＝0.5V，试求UO的值。解：根据式

可得图3-2-17减法运算电路教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识一、零点调整运放在使用时，特别是用于运算电路时，为保证精度，必须进行零点调整，简称“调零”。所谓“调零”就是使运放满足当输入为零时输出也为零的条件。调零时，将两输入端短路接地，通过调节外接调零电位器，使输出电压为零。运放的调零电路如图3-­2-18所示。值得一提的是，目前已有许多运放产品使用时无须调零。图3­-2-18运放的调零电路教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识二、消除自激振荡

运放的开环放大倍数很大，即使在深度负反馈的工作条件下，也可能出现不稳定，甚至产生自激振荡，这是一种常见现象。为此，常要加阻容补偿网络，来防止这种现象产生，这就是消除自激振荡，简称消振。阻容补偿网络的具体参数和接法可查阅使用说明书。三、保护电路1.电源极性的保护利用二极管的单向导电性，可有效防止由于电源极性接反而造成的运放的损坏。如图3­-2-19所示，当电源极性接反时，二极管均不导通，相当于电源断路，从而起到保护作用。图3­-2-19电源极性保护教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识三、保护电路

2.输入端限幅保护利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，可有效防止因输入信号幅度过高造成的运放的输入级击穿而损坏。如图3­-2-20所示，一旦输入信号幅度超限，二极管VD1或VD2就会导通，确保运放的净输入信号幅度不大于二极管的正向压降，起到了保护作用。图3-­2-20输入端限幅保护电路教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识三、保护电路

3.输出端限幅保护

将稳压管VZ1和VZ2反向串联后接在运放的输出端和地之间，如图3­-2-21所示，若输出电压过高，则可经限流电阻R使稳压管击穿。将运放输出端电压限制在稳压管稳压值以内，起到保护作用。图3­-2-21输出端限幅保护电路教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识【实践应用】集成运放是现代电子电路中的核心器件，它与不同的外接电路连接，可以工作在不同的区域，实现多种电路功能，广泛应用于信号运算、信号处理、信号变换及信号发生器等电子领域的各个方面。1.集成运放构成有源滤波器有源滤波器在通信领域应用及其广泛。使用集成运放构成有一阶（一个RC环节）低通有源滤波器如图3-2-22所示。图3­-2-22低通滤波器教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识【实践应用】2.集成运放构成波形变换电路在模拟示波器中的水平系统内有一种扫描电压产生电路，如图3-2-23（a）所示。电容C1引入负反馈，运放工作在线性区。利用电容的充放电特性，当输入为方波信号时，输出为三角波信号，如图3-2-23（b）所示，该电路也称为积分器，可实现波形变换功能。图3­-2-23波形变换电路教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识【实践应用】3.集成运放构成RC文式电桥振荡器低频信号源的主振器多采用RC文式振荡器，如图3-2-24所示。R1、Rt引入电压负反馈，与集成运放A共同构成负反馈放大器作为正弦波振荡器的放大电路。Rt常采用具有负温度系数的热敏电阻，由它实现对电路的自动稳幅。RC串并联选频网络引入正反馈，以满足振荡的相位条件。由于两种反馈网络在集成运放输入端的连接呈桥式结构，故这种电路也称为文氏电桥振荡器。图3-­2-24RC文式电桥振荡器文氏电桥振荡器被广泛地用作频率可调的测量振荡器，是由于它具有以下优点：①只需将RC串并联选频网络中的两个电阻采用双连电位器，或两个电容采用双连可变电容，就能方便地实现调节；②由于电路中利用热敏电阻实现外稳幅，可使集成运放始终工作在线性放大区，输出波形良好，非线性失真小，输出幅度稳定。教学活动5：集成运放的使用常识3.2集成运算放大器3.2.4集成运放的使用常识【实践应用】4.集成运放构成电压比较器集成运放引入正反馈或者开环使用时工作在非线性状态。其应用在各类电子线路中也较为常见，如比较型或积分型数字电压表内都具有这样的比较器，电路如图3-2-25所示。非线性应用的运放输出有两个极值，当V+>V-时，输出为高电平；当V->V+时，输出为低电平。故可以通过输出的电平值来判断输入的大小关系，如果输出为高电平则ui1>ui2。图3­-2-25

电压比较器教学活动6：装接与测试集成运放应用电路3.2集成运算放大器（1）通过集成运放构成的基本运算电路的装配与测试，进一步提升焊接装配技能水平，熟悉集成运放的引脚功能和各基本运算电路的结构，理解各基本运算电路输出与输入的关系；（2）正确使用双踪示波器、函数信号发生器、双路直流稳压电源、晶体管毫伏表、直流电压表等仪器设备。实训：装接与测试集成运放应用电路【实训目标】【实训设备与器材】双踪示波器1台，函数信号发生器1台，双路直流稳压电源1台，晶体管毫伏表1块，直流电压表1块，电烙铁、镊子等工具。【实训内容与步骤】（1）识读反相比例运算、同相比例运算、加法比例运算、减法比例运算电路。教学活动6：装接与测试集成运放应用电路3.2集成运算放大器实训：装接与测试集成运放应用电路【实训内容与步骤】（2）根据元器件及材料清单，清点并检测元器件。将测试结果填入表3-2-2中，正常的填”√”，如元器件有问题，及时提出并更换。

表3-2-2装接与测试集成运放应用电路的元器件及材料清单序号名

称型号规格数量配件图号测试结果元件粘贴区1金属膜电阻器RJ-0.25W-10KΩ±1%10个R1

2金属膜电阻器RJ-0.25W-9.1KΩ±1%4个R2

3金属膜电阻器RJ-0.25W-100KΩ±1%,5个Rf，R3

4集成运放OP07CP1个

5接插件IC84

6焊锡丝、导线等

若干

教学活动6：装接与测试集成运放应用电路3.2集成运算放大器实训：装接与测试集成运放应用电路【实训内容与步骤】（3）对元器件正确成形，注意元器件成形尺寸符合多功能电路板插孔间距。（4）参照装配图，在多功能电路板上进行电路装接，焊接装配好后复查。注意：接插件直接装配到多功能板上，测量时应把集成块插入接插件。（5）检查无误后，调整稳压电源，使其输出±12V电压。扫描媒体链接3-3二维码1.装接与测试同相输入比例运算电路（1）按图3-­2-28所示在多功能板上装配电路。图3-­2-28同相比例运算电路装配图（2）利用函数信号发生器输入电压峰峰值为0.5V、1KHz的正弦信号ui。教学活动6：装接与测试集成运放应用电路3.2集成运算放大器实训：装接与测试集成运放应用电路【实训内容与步骤】（3）用示波器观察输入、输出电压波形，完成下列填空。输出电压峰峰值基本等于输入电压峰峰值的________（1或5或11）倍，即电压放大倍数与1＋

的值________（基本相等或相差较大），且输出电压与输入电压相位________（相同或相反），uo________（等于或不等于）（1＋

））ui。（4）将R1开路或Rf短路，重新测量UO的值并使用示波器观察输入、输出电压波形，完成下列填空。输出电压峰峰值基本等于输入电压峰峰值的________（1或5或11）倍，即电压放大倍数等于________（1或5或11）。因输出电压uo与输入电压ui相位________（相同或相反），大小________（相等或不相等），所以称为电压跟随器，是同相输入比例运算电路的特例。教学活动6：装接与测试集成运放应用电路3.2集成运算放大器实训：装接与测试集成运放应用电路【实训内容与步骤】2．装接与测试反相输入比例运算电路（1）按图3­-2-29所示在多功能板上装配电路。（2）利用函数信号发生器输入电压峰峰值为0.5V、1KHz的正弦信号ui。（3）用示波器观察输入、输出电压波形，完成下列填空。输出电压峰峰值基本等于输入电压峰峰值的________（0.1或1或10）倍，即电压放大倍数与

值________（基本相等或相差很大），且输出电压与