信號產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與制作

1、項(xiàng)目四 信號產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與制作知識目標(biāo)：Ø 了解集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)，熟知集成運(yùn)放降低零點(diǎn)漂移的基本方法；Ø 掌握集成運(yùn)放組成的三種輸入形式的放大器及信號運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要性能；Ø 掌握區(qū)分運(yùn)放工作在不同區(qū)域的方法；Ø 能按照輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系要求，設(shè)計(jì)集成運(yùn)放應(yīng)用電路，并確定電阻的阻值；Ø 掌握典型三角波、方波產(chǎn)生應(yīng)用電路Ø 了解振蕩器的功能、電路結(jié)構(gòu)、振蕩條件；Ø 熟知LC振蕩的電路組成、理解電路工作原理，會判別電路是否振蕩；Ø 了解石英晶體振蕩電路的基本形式，理解基本工作原理；Ø 掌握函數(shù)

2、產(chǎn)生器8038的功能及其應(yīng)用； 技能目標(biāo)：Ø 掌握利用運(yùn)放工作在不同區(qū)域的特點(diǎn)分析運(yùn)放應(yīng)用電路的方法；Ø 能正確識讀集成運(yùn)放的引腳；Ø 會用電阻測量法或電壓測量法判斷集成運(yùn)放質(zhì)量的好壞；Ø 初步具有排除集成運(yùn)放常見應(yīng)用電路故障的能力；Ø 練習(xí)識讀特色信號產(chǎn)生電路實(shí)例；Ø 會用示波器觀察振蕩波形的頻率和幅度；掌握振蕩電路頻率調(diào)整方法Ø 會用集成函數(shù)產(chǎn)生器8038設(shè)計(jì)實(shí)用信號產(chǎn)生電路，并掌握調(diào)試方法。工作任務(wù)：Ø 比例運(yùn)算電路制作與測試Ø 三角波、方波發(fā)生器設(shè)計(jì)與制作Ø 函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計(jì)與制作課題

3、項(xiàng)目四信號產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與制作任務(wù)一比例運(yùn)算電路制作與測試任務(wù)分解1、集成運(yùn)放引腳識讀與電壓法判斷質(zhì)量的好壞2、比例運(yùn)算電路制作與測試授 課 方 式講 授操作演示仿真演示研究學(xué)習(xí)學(xué)生操作師生互動(dòng)能力目標(biāo)1、能正確識讀集成運(yùn)放的引腳；2、會用電阻測量法或電壓測量法判斷集成運(yùn)放質(zhì)量的好壞；3、初步具有排除集成運(yùn)放常見應(yīng)用電路故障的能力。知識目標(biāo)1、了解集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)，熟知集成運(yùn)放降低零點(diǎn)漂移的基本方法；2、掌握集成運(yùn)放組成的三種輸入形式的放大器及信號運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要性能；3、能按照輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系要求，設(shè)計(jì)集成運(yùn)放應(yīng)用電路，并確定電阻的阻值。情感目標(biāo)1、增強(qiáng)專業(yè)意識，培養(yǎng)良好的職

4、業(yè)道德和職業(yè)習(xí)慣；2、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；3、提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。重 點(diǎn)掌握集成運(yùn)放組成的三種輸入形式的放大器及信號運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要性能。難 點(diǎn)能按照輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系要求，設(shè)計(jì)集成運(yùn)放應(yīng)用電路，并確定電阻的阻值。選 學(xué)情境設(shè)計(jì)電子技術(shù)項(xiàng)目教學(xué)室，兩名學(xué)生為一組。每組模電試驗(yàn)箱一臺。課后閱讀預(yù)習(xí)教材：查閱資料：課后作業(yè)與 操作 習(xí)題6.4教 后 記實(shí)訓(xùn)任務(wù)1 比例運(yùn)算電路制作與測試實(shí)訓(xùn)流程：運(yùn)算放大器是具有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端的高增益、高輸入阻抗的電壓放大器。若在它的輸出端和輸入端之間加上反饋網(wǎng)絡(luò)就可以組成具有各種功能的電路。當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)為線性電路時(shí)可實(shí)現(xiàn)乘、除等模

5、擬運(yùn)算等功能。運(yùn)算放大器可進(jìn)行直流放大，也可進(jìn)行交流放大。 使用運(yùn)算放大器時(shí)，調(diào)零和相位補(bǔ)償是必 須注意的兩個(gè)問題，此外應(yīng)注意同相端和反相 +15V端到地的直流電阻等，以減少輸入端直流偏流 UI R1 2 7引起的誤差。 µA741 6 UO 1反相比例放大器 RP 3 4 電路如圖7.1所示。當(dāng)開環(huán)增益為 ¥（大于 -15V 104以上）時(shí)，反相放大器的閉環(huán)增益為： （1） 圖7.1 反相比例放大器由上式可知，選用不同的電阻比值Rf / R1，Auf可以大于1，也可以小于1。若R1 = Rf ， 則放大器的輸出電壓等于輸入電壓的負(fù)值，因此也稱為反相器。放大器的輸入電阻為：

6、RiR1 直流平衡電阻為：RP = Rf / R1 。 R1 Rf其中，反饋電阻Rf不能取得太大，否則會 +15V產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，其值一般取幾十千歐 2 7到幾百千歐之間。 R1的值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源的 R1 µA741 6 UO 內(nèi)阻。 UI 3 4 2同相比例放大器、同相跟隨器 Rf 同相放大器具有輸入電阻很高，輸出電阻 -15V很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大器。電路原理圖如圖7.2所示。當(dāng)開環(huán)增益為 ¥（大于104以上 圖7.2 同相比例放大器 ）時(shí)，同相放大器的閉環(huán)增益為： （2） 由上式可知，R1為有限值，Auf恒大于1。同相放大器的輸入電阻為：Ri = ric

7、其中： ric 是運(yùn)放同相端對地的共模輸入電阻，一般為108W；放大器同相端的直流平衡電阻為：RP = Rf / R1。若R1 ¥（開路），或Rf = 0，則Auf為1，于是同相放大器變?yōu)橥喔S器。此時(shí)由于放大器幾乎不從信號源吸取電流，因此 UI1 R1 å Rf可視作電壓源，是比較理想的阻抗變換器。 3加（減）法器 +15V電路如圖7.3所示。當(dāng)運(yùn)算放大器開環(huán)增益為 UI2 R2 2 7 足夠大時(shí)，由于點(diǎn) S為“虛地”，兩個(gè)輸入電 µA741 6 UO壓可以彼此獨(dú)立地通過自身輸入回路的電阻轉(zhuǎn) 3 4 換為電流，能精確地實(shí)現(xiàn)代數(shù)相加運(yùn)算。其輸 RP -15V出電

8、壓UO為： （3） 圖7.3 加法器圖中：同相端的輸入電阻RP = Rf / R1 / R2。上式中，負(fù)號表示加法器的輸出信號與輸入信號的相位相反。若取R3 = R2 = Rf2 ，并使其中一個(gè)輸入信號UI1經(jīng)過一級反相放大器，則加法器可以變?yōu)闇p法器。如圖7.4所示。 Rf1 Rf2 +15V UI1 R1 2 7 +15V 6 R2 2 7 µA741 RP1 3 4 UI2 µA741 6 UO -15V R3 3 4RP2 -15V 圖7.4 減法器圖中：RP1 = Rf1/2，R3 = R2 = Rf2，R1=Rf1，RP2= R3/ R2/ Rf2其輸出電壓為：

9、（4） Rf +15V4差動(dòng)放大器（減法器） UI1 R1 2 7 電路如圖7.5所示。當(dāng)運(yùn)算放大器的同相端 µA741 6 UO和反相端分別輸入信號UI1和UI2時(shí)，輸出電壓 UI2 R2 4UO為： 3 RP -15V 圖7.5 差動(dòng)放大器當(dāng)R1=R2，R3=Rf 時(shí)，圖7.5電路為差動(dòng)放大器，其差模電壓增益為： 輸入電阻為： Rid=R1+R2=2R1輸出電壓為： 當(dāng) R1= R2= R3= Rf 時(shí)，圖7.5電路為減法器，輸出電壓為： 由于差動(dòng)放大器具有雙端輸入 單端輸出，共模抑制比較高的特點(diǎn)，因此，差動(dòng)放大器通常作為傳感放大器或測量儀器的前置放大器。（1） 電壓跟隨器按圖4

10、.1在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。 圖4.1 電壓跟隨器按表4.1中要求測量并計(jì)算。表4.1Vi(V)-1-0.50+0.51Vo (V)RL=測量值理論值RL=5.1K測量值理論值（2） 反相比例放大電路按圖4.2在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。圖4.2 反相比例放大電路按表4.2中要求測量并記算。表4.2Vi (V)0.050.10.512Vo (V)實(shí)測值理論值誤差值VA（V）VB（V）（3）同相比例放大電路按圖4.3在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。圖7.8 同相比例放大電路按表4.3中要求測量并記算。表7.3Vi (V)0.050.10.512Vo (V)實(shí)測值 理論值誤差值VA（V）VB（V）（4）反相輸入的加法放大

11、電路 按圖4.4在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。圖4.4 反相輸入的加法放大電路按表4.4中要求測量并記算。表4.4Vi1 (V)+0.5-0.5Vi2 (V)0.20.2Vo (V)實(shí)測值理論值VA（V）VB（V）（5）差分放大電路按圖4.5在實(shí)驗(yàn)板上接好線路 圖4.5 雙端輸入的加法放大電路按表4.5中要求測量并記算。表4.5Vi1 (V)120.2Vi2 (V)0.51.8-0.2Vo (V)實(shí)測值理論值VA（V）VB（V）知識介紹：4.1 集成運(yùn)算放大器4.1.1 集成運(yùn)算放大器的基本組成集成電路（英文簡稱IC）是60年代初發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件。集成電路體積小，密度大、功耗低、引線短、外接

12、線少，從而大大提高了電子電路的可靠性與靈活性，減少組裝和調(diào)整工作量，降低了成本。自1959年世界上第一塊集成電路問世至今，只不過才經(jīng)歷了四十多年時(shí)間，但它已深入到工農(nóng)業(yè)、日常生活及科技領(lǐng)域的相當(dāng)多產(chǎn)品中。例如在導(dǎo)彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)車、艦船、飛機(jī)等軍事裝備中；在數(shù)控機(jī)床、儀器儀表等工業(yè)設(shè)備中；在通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)中；在音響、電視、錄像、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)等家用電器中都采用了集成電路。集成電路的發(fā)展，對各行各業(yè)的技術(shù)改造與產(chǎn)品更新起到了促進(jìn)作用。 早期，運(yùn)放主要用來完成模擬信號的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器?，F(xiàn)在，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)算的范圍。它在通信、控制和測量等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。集成

13、運(yùn)算放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有高電壓放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路。從20世紀(jì)60年代發(fā)展至今已經(jīng)歷了四代產(chǎn)品，類型和品種相當(dāng)豐富，但在結(jié)構(gòu)上基本一致，其內(nèi)部通常包含四個(gè)基本組成部分：輸入級、中間級、輸出級以及偏置電路，如圖所示。圖4.6 集成運(yùn)放的基本組成部分運(yùn)放的輸入級：利用差動(dòng)放大電路的對稱特性可提高整個(gè)電路的共模抑制比和電路性能。中間級的主要作用是提高電壓增益，一般由多級放大電路組成。輸出級常用電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。下圖所示為常見的集成電路封裝形式。單列扁平式 雙列直插式 單列直插式 扁平式圖4.7所示為集成運(yùn)算放大器的電路符號。集成運(yùn)放可以有同相

14、輸入、反相輸入及差動(dòng)輸入三種輸入方式。 圖4.7 集成運(yùn)算放大器的電路符號4.1.2 集成運(yùn)算放大器的分類1. 通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。常見的型號有741、LM386、LM324等。2. 高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid（1091012），IIB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪

15、聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。3. 低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器、弱信號檢測等自動(dòng)控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。 4. 高速型運(yùn)算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的

16、場合的。高速型運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是具有較高的轉(zhuǎn)換速率和較寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、A715等，其SR=5070V/s，BWG20MHz。 5. 低功耗型運(yùn)算放大器電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須用低電源電壓供電的低功率消耗運(yùn)放，這類運(yùn)放TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±2V±18V，消耗電流為50250A。6. 高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須

17、要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V，A791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。4.1.3 集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0其數(shù)值很高，一般約為104107。該值反映了輸出電壓U0與輸入電壓U和U之間的關(guān)系。(2)差模輸入電阻ri運(yùn)放的差動(dòng)輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐。(3)閉環(huán)輸出電阻r0由于運(yùn)放總是工作在深度負(fù)反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間。 (4)最大共模輸入電壓Uicmax指運(yùn)放兩個(gè)輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個(gè)電壓時(shí)，運(yùn)

18、放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。為簡化分析過程，同時(shí)又能滿足實(shí)際工程的需要，常把集成運(yùn)放理想化，集成運(yùn)放的理想化參數(shù)為：開環(huán)電壓放大倍數(shù)Au0=差模輸入電阻ri=輸出電阻r0=0共模抑制比KCMR=集成運(yùn)放的電壓傳輸特性4.1.4 集成運(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題一、集成運(yùn)放的選擇集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件。在由運(yùn)算放大器組成的各種系統(tǒng)中，由于應(yīng)用要求不一樣，對運(yùn)算放大器的性能要求也不一樣。在沒有特殊要求的場合，盡量選用通用型集成運(yùn)放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)放時(shí)，盡可能選用多運(yùn)放集成電路,例如LM324、L

19、F347等都是將四個(gè)運(yùn)放封裝在一起的集成電路。實(shí)際選擇集成運(yùn)放時(shí)，除優(yōu)值系數(shù)要考慮之外，還應(yīng)考慮其他因素。例如信號源的性質(zhì)，是電壓源還是電流源；負(fù)載的性質(zhì)，集成運(yùn)放輸出電壓和電流的是否滿足要求；環(huán)境條件,集成運(yùn)放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。二、集成運(yùn)放參數(shù)的測試以A741為例，其管腳排列如圖所示。其中2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端，7腳接正電源15V，4腳接負(fù)電源-15V，6腳為輸出端，1腳和5腳之間應(yīng)接調(diào)零電位器。A741的開環(huán)電壓增益Aud約為94dB(5×104倍)。圖4.8 A741的管腳排列及估測運(yùn)放的放大能力用萬用表估測A741的放大能力

20、時(shí)，需接上±15V電源。萬用表撥至50V擋，電路如圖 (b)所示。 三、集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)：1集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放有兩個(gè)電源接線端+VCC和-VEE,但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式,對輸入信號的要求是不同的。（1）對稱雙電源供電方式運(yùn)算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源（+E）與負(fù)電源（-E）分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下,可把信號源直接接到運(yùn)放的輸入腳上,而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對稱電源電壓。（2）單電源供電方式單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時(shí)為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),在運(yùn)放輸入

21、端一定要加入一直流電位。此時(shí)運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號變化。靜態(tài)時(shí),運(yùn)算放大器的輸出電壓近似為VCC/2,為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容。2集成運(yùn)放的調(diào)零問題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響,當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號為零時(shí),輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度,要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零,而對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放,要采用外部調(diào)零方法。下面以uA741為例,圖4.8給出了常用調(diào)零電路。圖4.8(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路；圖（b）是外部調(diào)零電路。圖4.9 常用調(diào)零電路

22、3集成運(yùn)放的自激振蕩問題運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級放大器,在接成深度負(fù)反饋條件下,很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作,就需外加一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),以消除自激振蕩。另外,防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運(yùn)放的正、負(fù)供電電源的輸入端對地一定要分別加入一電解電容（10mF）和一高頻濾波電容（0.01mF0.1mF）。4集成運(yùn)放的保護(hù)問題集成運(yùn)放在使用中常因以下三種原因被損壞：輸入信號過大，使PN結(jié)擊穿；電源電壓極性接反或過高；輸出端直接接“地”或接電源，此時(shí)，運(yùn)放將因輸出級功耗過大而損壞。因此，為使運(yùn)放安全工作，也需要從這三個(gè)方面進(jìn)行保護(hù)。（1）輸入保護(hù)圖4.10(

23、a)所示是防止差模電壓過大的保護(hù)電路，限制集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的差模輸入電壓不超過二極管VD1、VD2的正向?qū)妷骸D4.10(b)所示是防止共模電壓過大的保護(hù)電路，限制集成運(yùn)放的共模輸入電壓不超過+U至-U的范圍。（2）輸出保護(hù)圖4.11所示為輸出端保護(hù)電路，限流電阻R與穩(wěn)壓管VZ構(gòu)成限幅電路，它一方面將負(fù)載與集成運(yùn)放輸出端隔離開來，限制了運(yùn)放的輸出電流，另一方面也限制了輸出電壓的幅值。當(dāng)然，任何保護(hù)措施都是有限度的，若將輸出端直接接電源，則穩(wěn)壓管會損壞，使電路的輸出電阻大大提高，影響了電路的性能。圖4.11 輸出保護(hù)電路（3）電源端保護(hù)為防止電源極性接反，可利用二極管的單向?qū)щ娦?，在?/p>

24、源端串接二極管來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，如圖4.12所示。由圖可見，若電源極性接錯(cuò)，則二極管VD1、VD2不能導(dǎo)通，使電源被斷開。圖4.12 電源端保護(hù)4.2 比例運(yùn)算放大電路4.2.1 理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)放可以理解為實(shí)際運(yùn)放的理想化模型。就是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化，得到一個(gè)理想的運(yùn)算放大器。即：（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod=；（2）差模輸入電阻rid=；（3）輸出電阻rod=0；（4）輸入失調(diào)電壓UIO=0，輸入失調(diào)電流IIO=0；輸入失調(diào)電壓的溫漂dUIO/dT=0，輸入失調(diào)電流的溫漂dIIO/dT=0；（5）共模抑制比KCMR=；（6）輸入偏置電流IIB=0；（7）-3dB帶寬fh=；

25、（8）無干擾、噪聲。  4.2.2 集成運(yùn)放的兩個(gè)工作區(qū)1 運(yùn)放工作在線性工作區(qū)時(shí)的特點(diǎn)在集成運(yùn)放應(yīng)用電路中，運(yùn)放的工作范圍有兩種情況：工作在線性區(qū)或工作在非線性區(qū)。線性工作區(qū)是指輸出電壓uo與輸入電壓ui成正比時(shí)的輸入電壓范圍。在線性工作區(qū)，集成運(yùn)放uo與ui之間關(guān)系可表示為式中，Aod為集成運(yùn)放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，u+和u-分別為同相輸入端和反相輸入端電壓。 對于理想運(yùn)放，Aod=；而uo為有限值，工作在線性區(qū)時(shí)，有：u+-u-0，即：這一特性稱為理想運(yùn)放輸入端的“虛短”。“虛短”和“短路”是截然不同的兩個(gè)概念，“虛短”的兩點(diǎn)之間，仍然有電壓，只是電壓十分微?。欢岸搪贰钡膬?/p>

26、點(diǎn)之間，電壓為零。 由于理想運(yùn)放的輸入電阻rid=，而加到運(yùn)放輸入端的電壓有限，所以運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流：這一特性稱為理想運(yùn)放輸入端的“虛斷”。 2運(yùn)放工作在非線性工作區(qū)時(shí)的特點(diǎn)在非線性工作區(qū)，運(yùn)放的輸入信號超出了線性放大的范圍，輸出電壓不再隨輸入電壓線性變化，而是達(dá)到飽和，輸出電壓為正向飽和壓降UOH（正向最大輸出電壓）或負(fù)向飽和壓降UOL（負(fù)向最大輸出電壓），如圖4.13所示。理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，由于rid=ric=，而輸入電壓總是有限值，所以不論輸入電壓是差模信號還是共模信號，兩個(gè)輸入端的電流均為無窮小，即仍滿足“虛斷”條件：為使運(yùn)放工作在非線性區(qū)，一般使運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，也可外

27、加正反饋。 4.2.3 比例運(yùn)算電路線性應(yīng)用電路中，一般都在電路中加入深度負(fù)反饋，使運(yùn)放工作在線性區(qū)，以實(shí)現(xiàn)各種不同功能。典型線性應(yīng)用電路包括各種運(yùn)算電路及有源濾波電路。在對集成運(yùn)放應(yīng)用電路的分析過程中，一般將實(shí)質(zhì)運(yùn)放視為理想運(yùn)算放大器來處理，只有在需要研究應(yīng)用電路的誤差時(shí)，才會考慮實(shí)際運(yùn)算放大器特性帶來的影響。(1) 反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路也稱為反相放大器，電路組成如圖4.14所示。 圖4.14 反相比例運(yùn)算電路由“虛斷”可推出：i+=0，因此u+“虛地”根據(jù)“虛短”又可推出：u-= u+=0可得：反相輸入端虛斷，所以：整理后可得可見反相比例運(yùn)算電路的輸出電壓與輸入電壓相位相反，而

28、幅度成正比關(guān)系，比例系數(shù)取決于電阻阻值之比為使運(yùn)放輸入級的差分放大電路參數(shù)保持一致，要求從運(yùn)放兩個(gè)輸入端向外看的等效電阻相等，因此在同相端接入一個(gè)R為平衡電阻，R= RfR1。 (2) 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路又稱為同相放大器，其電路如圖4.15所示。輸入電壓加在同相輸入端，為保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，在輸出端和反相輸入端之間接反饋電阻Rf構(gòu)成深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，R為平衡電阻，R= RfR1。 圖4.15 同相比例運(yùn)算電路由“虛斷”可推出：i+=0，根據(jù)“虛短”又可推出：u-= u+ui可得：由圖可知：整理后可得：顯然同相比例運(yùn)算電路的輸出必然大于輸入。比例系數(shù)取決于電阻Rf與R1阻值之比

29、。同相比例運(yùn)算電路中引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故可以進(jìn)一步提高電路的輸入電阻，降低輸出電阻，Ri=，Ro=0。若R1=或Rf=0，則uo=ui，此時(shí)電路構(gòu)成電壓跟隨器，如圖4.16所示。圖4.16 電壓跟隨器（3）反相求和電路  反相求和電路如圖4.17所示，圖中有兩個(gè)輸入信號ui1、ui2（實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要增減輸入信號的數(shù)量），分別經(jīng)電阻R1、R2加在反相輸入端；為使運(yùn)放工作在線性區(qū)，Rf引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋；R為平衡電阻，R= RfR1R2。圖4.17 反相求和電路反相電路存在“虛地”現(xiàn)象，因此：u-= u+= “地”可得：因?yàn)椋簩⒏麟娏鞔耄赫砩鲜娇傻茫喝绻「鬏斎腚娮瑁?/p>

30、則：實(shí)現(xiàn)了反相求和運(yùn)算。（4）同相求和電路為實(shí)現(xiàn)同相求和，可以將各輸入電壓加在運(yùn)放的同相輸入端，為使運(yùn)放工作在線性狀態(tài)，電阻支路Rf引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，如圖4.18所示。 圖4.18 同相求和電路根據(jù)“虛斷”可得：由“虛短”可得：再根據(jù)同相比例輸入電路：可得：根據(jù)對稱性要求：因此：若：則實(shí)現(xiàn)同相求和運(yùn)算：（5）積分電路  積分電路可以完成對輸入信號的積分運(yùn)算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。這里介紹常用的反相積分電路，如圖4.19所示。電容C引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。 圖4.19 反相積分電路基本形式積分電路也存在“虛地”現(xiàn)象，可知：因?yàn)樗裕簩1代入u0表達(dá)式得

31、：電路實(shí)現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時(shí)間的積分。式中的比例常數(shù)RC稱為電路的時(shí)間常數(shù)。圖4.20 基本積分電路的積分波形（6）微分電路  微分是積分的逆運(yùn)算，微分電路的輸出電壓是輸入電壓的微分，電路如圖4.21所示。圖中R引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋使運(yùn)放工作在線性區(qū)。 圖4.21 基本微分電路微分電路屬于反相輸入電路，因此同樣存在“虛地”現(xiàn)象，因?yàn)橛钟校核裕弘娐穼?shí)現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時(shí)間的微分。式中的比例常數(shù)RC稱為電路的時(shí)間常數(shù)圖4.22 微分電路信號波形課題項(xiàng)目四信號產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與制作任務(wù)二三角波、方波發(fā)生器設(shè)計(jì)與制作任務(wù)分解1、方波發(fā)生器的制作與調(diào)試2、三角波發(fā)生器的制作與調(diào)

32、試授 課 方 式講 授操作演示仿真演示研究學(xué)習(xí)學(xué)生操作師生互動(dòng)能力目標(biāo)1、會用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)方波發(fā)生器；2、會用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)三角波、鋸齒波發(fā)生器；3、會用示波器觀察信號及掌握信號頻率調(diào)整方法。知識目標(biāo)1、掌握集成運(yùn)放的非線性典型應(yīng)用電路；2、掌握方波發(fā)生器電路組成和工作過程；3、掌握三角波、鋸齒波發(fā)生電路的組成以及工作原理。情感目標(biāo)1、增強(qiáng)專業(yè)意識，培養(yǎng)良好的職業(yè)道德和職業(yè)習(xí)慣；2、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；3、提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。重 點(diǎn)集成運(yùn)放設(shè)計(jì)方波、三角波、鋸齒波發(fā)生器難 點(diǎn)集成運(yùn)放的非線性典型應(yīng)用電路選 學(xué)情境設(shè)計(jì)電子技術(shù)項(xiàng)目教學(xué)室，兩名學(xué)生為一組。每組模電試驗(yàn)箱一臺。課后閱讀預(yù)

33、習(xí)教材：查閱資料：課后作業(yè)與 操作 習(xí)題P178 7.7教 后 記實(shí)訓(xùn)任務(wù)2 三角波、方波發(fā)生器設(shè)計(jì)與制作實(shí)訓(xùn)流程：按圖4.23在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。圖4.23 方波發(fā)生電路 （1）觀察Vc和Vo的波形及頻率。 fc= （HZ） fo= （HZ）Vc和Vo的波形 （2）調(diào)節(jié)Rp，測量Rp=0K，Rp=100K時(shí)的頻率及波形。在下表4.6中填寫。 R=Rp+R2表4.6阻值f (測量值)f (計(jì)算值)輸出波形R=10 (K)R=110(K) （3）為了獲得更低的頻率,調(diào)節(jié)RP， R2，C，R1，R3改變電容C1 由 0.1u10u f= 改變電阻R1 由 10K20K f= 改變電阻R3 由 10

34、K5K f= 按圖4.24 在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。 圖4.24 三角波發(fā)生電路 （1）觀察V01及V02的波形V01波形和V02波形 （2）改變輸出波形的頻率，方法如方波。選擇合適的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀測。按圖4.25 在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。圖4.25 鋸齒波發(fā)生電路 （1）觀察Vo2，Vo1的輸出波形和頻率并填表4.7。表4.7頻率（HZ）波形Vo1Vo2 （2）改變鋸齒波頻率并測量變化范圍。 改變R1、R2、C和RP1值。R1R2CRP1f (HZ)得出結(jié)論：知識介紹：4.3 非正弦波信號發(fā)生器在自動(dòng)化、電子、通信等領(lǐng)域中，經(jīng)常需要進(jìn)行性能測試和信息的傳送等，這些都離不開一些非正弦信號。常見非正弦

35、信號產(chǎn)生電路有方波、三角波、鋸齒波產(chǎn)生電路等。本節(jié)將重點(diǎn)介紹方波產(chǎn)生電路和鋸齒波產(chǎn)生電路的基本工作原理。4.3.1 集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電路電壓比較器是一種常見的模擬信號處理電路，它將一個(gè)模擬輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果輸出。比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平，為數(shù)字量 ；而輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，因此比較器可作為模擬電路和數(shù)字電路的“接口”、電平檢測及波形變換等領(lǐng)域中。由于比較器的輸出只有高、低電平兩種狀態(tài)，故其中的運(yùn)放常工作在非線性區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)來看，運(yùn)放常處于開環(huán)狀態(tài)或加入正反饋。集成運(yùn)放工作于非線性區(qū)的顯著特點(diǎn)就是運(yùn)行在開環(huán)或正反饋狀態(tài)下；因運(yùn)放的開環(huán)

36、電壓放大倍數(shù)Au極高，所以只要輸入一個(gè)很小的信號電壓，即可使運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū)。運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，輸入和輸出不成線性關(guān)系。 根據(jù)比較器的傳輸特性不同，可分為單限比較器、滯回比較器及雙限比較器等。1單限比較器單門限電壓比較器只有一個(gè)門限電平，當(dāng)輸入電壓達(dá)到此門限值時(shí)，輸出狀態(tài)立即發(fā)生跳變。圖4.26 單限比較器電路和其傳輸特性比較器輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)，所對應(yīng)的輸入電壓通常稱為閾值電壓或門限電壓，用UTH表示?？梢姡@種單限比較器的閾值電壓UTH=UR。若UR=0，即運(yùn)放反相輸入端接地，則比較器的閾值電壓UTH=0。這種單限比較器也稱為過零比較器。利用過零比較器可以將正弦波變?yōu)?/p>

37、方波，輸入、輸出波形如圖4.27所示。圖4.27 簡單過零比較器電路和輸入、輸出波形2滯回比較器單限比較器電路簡單，靈敏度高，但其抗干擾能力差。如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動(dòng)，則輸出電壓將在高、低兩個(gè)電平之間反復(fù)跳變，如圖4.28所示。若用此輸出電壓控制電機(jī)等設(shè)備，將出現(xiàn)誤操作。為解決這一問題，常常采用滯回電壓比較器。圖4.28 存在干擾時(shí)，單限比較器的輸出、輸入波形滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，通過引入上、下兩個(gè)門限電壓，以獲得正確、穩(wěn)定的輸出電壓。傳輸過程中：當(dāng)輸入電壓ui從小逐漸增大，或者ui從大逐漸減小時(shí)，兩種情況下的門限電平是不相同的，由此電壓傳輸特性呈現(xiàn)“滯回”

38、曲線的形狀。圖4.29 反相滯回電壓比較器滯回電壓比較器用于控制系統(tǒng)時(shí)主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回電壓比較器兩個(gè)門限電平UTH1和UTH2的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復(fù)跳變，如圖4.30所示。  圖4.30 存在干擾時(shí)， 滯回比較器的輸入、輸出波形4.3.2 非正弦波信號發(fā)生器1方波發(fā)生器用滯回比較器構(gòu)成的方波產(chǎn)生電路如圖4.31(a)所示。兩個(gè)穩(wěn)壓管的作用是將輸出電壓鉗位在某個(gè)特定的電壓值，它的指導(dǎo)思想是利用電容兩端的電壓作比較，來決定電容是充電還是放電。圖中R和C為定時(shí)元件，構(gòu)成積分電路

39、。由于方波包含極豐富的諧波，因此方波產(chǎn)生電路又稱為多諧振蕩器。 圖4.30 方波產(chǎn)生電路根據(jù)電路可得上下限電壓為：可推出：還可利用壓控方波產(chǎn)生電路來獲取方波。通常將輸出信號頻率與輸入控制電壓成正比的波形產(chǎn)生電路稱為壓控振蕩器，它的應(yīng)用也十分廣泛。若用直流電壓作為控制電壓，壓控振蕩器可制成頻率調(diào)節(jié)十分方便的信號源；若用正弦波電壓作為控制電壓，壓控振蕩器就成了調(diào)頻波振蕩器；當(dāng)振蕩受鋸齒波電壓控制時(shí)，它就成了掃頻振蕩器。2鋸齒波發(fā)生器積分電路可將方波變換為線性度很高的三角波，如圖4.31所示。 圖4.31 三角波發(fā)生電路通常積分器產(chǎn)生的三角波幅值隨方波輸入信號的頻率變化。正是為了克服這一缺點(diǎn)，才將積

40、分電路的輸出送給遲滯比較器的輸入，再將它輸出的方波送給積分電路的輸入，從而得到質(zhì)量較高的三角波。鋸齒波與三角波的區(qū)別是：三角波的上升和下降的斜率（指絕對值）相等，而鋸齒波的上升和下降的斜率不相等(通常相差很多)。鋸齒波常用在示波器的掃描電路或數(shù)字電壓表中。如果有意識地使C的充電和放電時(shí)間常數(shù)造成顯著的差別，則在電容兩端的電壓波形就是鋸齒波。圖4.32是利用一個(gè)滯回比較器和一個(gè)反相積分器組成頻率可調(diào)節(jié)的鋸齒波發(fā)生電路。 圖4.32 頻率和幅度均可調(diào)節(jié)的鋸齒波發(fā)生電路課題項(xiàng)目四信號產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)與制作任務(wù)三函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)分解1、正弦波振蕩電路的制作與測試2、集成函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與

41、制作授 課 方 式講 授操作演示仿真演示研究學(xué)習(xí)學(xué)生操作師生互動(dòng)能力目標(biāo)1、掌握振蕩電路振蕩頻率的調(diào)整方法；2、會用示波器觀察振蕩波形的頻率和幅度；3、會用集成信號發(fā)生器8038設(shè)計(jì)典型信號發(fā)生電路。知識目標(biāo)1、掌握RC和LC正弦波振蕩電路的產(chǎn)生條件、組成和典型應(yīng)用；2、了解石英晶體振蕩電路組成及特點(diǎn)；3、掌握函數(shù)信號發(fā)生器8038的功能及應(yīng)用。情感目標(biāo)1、增強(qiáng)專業(yè)意識，培養(yǎng)良好的職業(yè)道德和職業(yè)習(xí)慣；2、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；3、提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。重 點(diǎn)集成函數(shù)信號發(fā)生器8038的功能與應(yīng)用。難 點(diǎn)集成函數(shù)信號發(fā)生器8038的功能與應(yīng)用。選 學(xué)情境設(shè)計(jì)電子技術(shù)項(xiàng)目教學(xué)室，兩名學(xué)生

42、為一組。每組模電試驗(yàn)箱一臺。課后閱讀預(yù)習(xí)教材：查閱資料：課后作業(yè)與 操作 習(xí)題7.6 P178教 后 記實(shí)訓(xùn)任務(wù)3 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作實(shí)訓(xùn)流程：1按圖4.33在實(shí)驗(yàn)板上接好線路 圖4.33 集成RC正弦波振蕩電路（1）將RP1調(diào)到10K，調(diào)節(jié)RP2用示波器觀察輸出波形。將波形填入表4.8中。表4.8RP2阻值很小恰當(dāng)?shù)淖柚底柚堤筝敵霾ㄐ危?）用頻率器測上述電路的輸出頻率（測量前先調(diào)節(jié)RP2使輸出波形不失真）。將數(shù)據(jù)填入下表4.9中。 表4.9 f（HZ）理論值測量值 （3）改變振蕩頻率 先將RP1調(diào)到30K，然后在R1與地之間串一個(gè)20K的電阻。最后測量其輸出頻率 。 f= （HZ）

43、 測f之前，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)RP2使Vo無明顯失真，再測頻率。 1 按圖4.34在實(shí)驗(yàn)板上接好線路。圖4.34 LC正弦波振蕩器電路（1） 去掉信號源，斷開R2，令RP2=0，調(diào)節(jié)RP1使V1的集電極電壓為6V。 連接B、C兩點(diǎn)，用示波器觀察A點(diǎn)波形，調(diào)RP2使不失真，測量振蕩頻率并填 表10.4。表10.4Cf (HZ)Vo (V)C=0.01uC=0.047u（2） 在上述基礎(chǔ)上，測量Vb、Vc、Va的電壓并填表10.5。表10.5VbVcVaAu*FC=0.01uC=0.047u （3） 在振蕩的情況下，在A點(diǎn)接電阻，用示波器觀察波形。表10.5波形結(jié)論R=20KR=1.5K2 函數(shù)信號發(fā)生器

44、的設(shè)計(jì)與制作。利用8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器的實(shí)例圖4.35 頻率可調(diào)、失真小的函數(shù)發(fā)生器知識介紹：4.4 函數(shù)信號發(fā)生器正弦波振蕩電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。正弦波振蕩電路也稱為正弦波發(fā)生電路或正弦波振蕩器。 圖4.36 正弦波信號振蕩電路方框圖為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。反之，如果正反饋量不足，

45、則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個(gè)穩(wěn)幅電路。為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來命名。放大電路：其作用是放大信號，滿足起振條件，并把直流穩(wěn)壓電源的能量轉(zhuǎn)為振蕩信號的交流能量；正反饋網(wǎng)絡(luò)：其作用為滿足振蕩電路的相位平衡條件；選頻網(wǎng)絡(luò)：用于選出振蕩頻率，從而使得振蕩電路獲得單一頻率的正弦波信號輸出；穩(wěn)幅電路：用于穩(wěn)定輸出信號的幅度，改善波形，減少失真。產(chǎn)生正弦波的條件與負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類似。只不過負(fù)反饋放大電路中是由于信號頻率達(dá)到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。由于振蕩電路的輸入信號=0，所以=。由于正、負(fù)號的改變，有反饋的放大倍數(shù)為： 振蕩條件是 =1 幅度平衡條件 |=1 相位平衡條件 jAF = jA+jF = ±2np振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求 | 1這稱為起振條件。既然| 1，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管大信號運(yùn)用