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：（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.集成运算放大器的应用课时授课教案一授课计划批准人：批准日期：课序19授课日期授课班次课题：第7章第7.1节集成运放的应用基础第7.2节运算电路目的要求：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：重点反相和同相比例运算电路的结构特点及Ｕo与Ｕi的关系难点理解集成运算工作在线性区的条件和特点教学方法手段:电子课件、课堂提问、课堂讨论、启发式教具：电子课件复习提问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？课堂讨论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）２０５５１５８２二授课内容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电压610,12odOMAVU则最大线性输入电压为vUi1210126max，即只有vUi12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：0,0,,0,,,0ioIOicidodIUCMMRrrrA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)(0UUAUod00odAUUUUU虚短路0idirUUI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0UU21ii虚开/\虚路虚开有201RURUiiURRU120iuURRA12若12RR则iUU0,1uA称为反相器或反号器平衡电阻21RRRP（3）特点①电路引入了电压并联负反馈，输入电阻1Rri低输出电阻00r②存在虚地0UU③共模输入信号0icU，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：iUUU21ii虚开/\虚路虚开有201RUiURUi整理后iURRU)1(120)1(12RRAu（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ir0ir②共模输入信号iicUU，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1R，02PRRiUU0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：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一授课计划批准人：批准日期：课序：20授课日期：授课班次：课题：第7章第2节运算电路目的要求：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：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：电子课件复习提问：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：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、虚地布置作业：本章思考题与习题：10（1）（3）12（a）（b）（d）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）20502082二授课内容复习：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)Ui1Ui2单独作用，输出电压U02ˊ=(1+R2/R1)R4/(R3+R4)Ui2Ui1和Ui2共同作用UO=Uo1ˊ+U02ˊ=（1+R2/R1）R4/R3+R4Ui2-R2/R1Ui1若R1=R3R2=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/RfUO=-Rf/R1Ui1-Rf/R2Ui2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‖R33.代数求和电路两级电路构成的和差电路如图所示Uo1=-Rf/R1Ui1-Rf/R2Ui2Uo=-R6/R4Uo1-R6/R3Ui3=(Rf/R1Ui1+Rf/R2Ui2)R6/R4-R6/R3Ui3=Rf/R1R6/R4Ui1+Rf/R2R6/R4Ui2-R6/R3Ui3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一授课计划批准人：批准日期：课序：21授课日期：授课班次：课题：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：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：重点积分运算电路难点有源滤波电路教学方法手段:电子课件，课堂提问，课堂讨论，启发式教具：电子课件复习提问两级运放电路分析（第一级反相求和，第二级差动运算）课堂讨论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：本章思考题与习题13.（a）（b）（d）26.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）15601582二授课内容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=-RiF=-RiC=-RCdUi/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≈ISeUD/UTUO=-UD考虑上述各式得UO=-UT㏑SiRIU2.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-=UiiD=IseUi/UTUo=-iFR=-iDR=-IsReUi/UT7.2.6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/R2U2=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一授课计划批准人：批准日期：课序：22授课日期：授课班次：课题：第7章第4节电压比较器目的要求：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：电子课件复习提问：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：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：本章思考题与习题363738（a）（b）（c）（d）（e）.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）15601582二、授课内容7.4电压比较器复习：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。UUHUU00UULUU00UU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RTHUU，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，RTHUUTHRiUU时ZoLUUU0THRiUU时ZoLUUU0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OHRTHURRRURRRU3223231OLRTHURRRURRRU3223232若设0RU，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，RU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AU与BU要求：AU〉BU当iUAUBU时，1