第4單元 集成運(yùn)算放大器

第四單元集成運(yùn)算放大器項(xiàng)目一集成運(yùn)算放大器的基本單元電路測(cè)試項(xiàng)目二有源濾波器和電壓比較器測(cè)試項(xiàng)目三波形發(fā)生器測(cè)試1．集成運(yùn)算放大器的組成和符號(hào)（一）集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介圖4-1集成運(yùn)算放大器項(xiàng)目一集成運(yùn)算放大器的基本單元電路測(cè)試2．理想運(yùn)算放大器的參數(shù)（1）開環(huán)電壓增益Aud→∞。此參數(shù)說明理想集成運(yùn)算放大器對(duì)于差模信號(hào)的放大倍數(shù)趨于無窮大，但注意并非說明輸出電壓可以被放大到無窮大，而是說明電壓輸入端輸入的電壓趨于無窮小，在合理的范圍內(nèi)，我們可以把輸入電壓看成為0，即后面要講到的“虛短”的概念。（2）差模輸入電阻rid→∞。此參數(shù)說明對(duì)于輸入端的差模信號(hào)，由于輸入電阻趨于無窮大，所以輸入端的輸入電流趨于0，即后面要講到的“虛斷”。2．理想運(yùn)算放大器的參數(shù)（3）輸出電阻rod=0。此參數(shù)說明輸出的電壓和電流完全作用在負(fù)載上面，運(yùn)放本身沒有內(nèi)阻，輸出電壓、電流和負(fù)載電阻符合歐姆定律。（4）共模抑制比KCMR→∞，即沒有溫度漂移。此參數(shù)說明理想集成運(yùn)算放大器對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)趨于0，即同相輸入端和反相輸入端輸入信號(hào)的相同部分，無論是0V、2V還是10V，輸出端對(duì)此都無放大作用。共模信號(hào)不影響輸出。（5）開環(huán)帶寬fH→∞。此參數(shù)說明理想集成運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)的頻率適應(yīng)性很好，任何頻率的信號(hào)都可以正常放大，即無頻率選擇性的問題。3．理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)重要原則虛短原則：在線性區(qū)，由于理想運(yùn)算放大器開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod=∞，所以

虛斷原則：由于理想集成運(yùn)算放大器的開環(huán)差模輸入電阻rid=∞，輸入偏置電流IB=0，當(dāng)然不會(huì)向外部電路索取任何電流，因此其兩個(gè)輸入端的電流都為零，集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，其兩個(gè)輸入端均無電流，就好像集成運(yùn)算放大器和外部電路是斷開的，故這一特點(diǎn)稱為虛斷。4．常見集成運(yùn)放芯片簡(jiǎn)介圖4-3LM324引腳圖

圖4-4MC4558C引腳圖1．反相輸入比例運(yùn)算電路（二）模擬運(yùn)算電路例4-1在圖4-5中，如果R1為10k，要求輸出電壓，請(qǐng)選擇正確的Rf。同相輸入比例運(yùn)算電路例4-2例4-33．比例運(yùn)算放大電路的一些問題（1）平衡電阻。反相輸入比例運(yùn)算電路、同相輸入比例運(yùn)算電路中的R2被稱為平衡電阻。同樣，加減法電路中，都要注意平衡電阻的問題。本運(yùn)算電路等使用集成運(yùn)放的書在原理講解部分有的省略了平衡電阻，但在實(shí)際使用中為了電路的準(zhǔn)確性，務(wù)必使集成運(yùn)放同相反相兩端的電阻相等。4．反相加法運(yùn)算電路

由此可得：若，則：式中負(fù)號(hào)是因反相輸入引起的。該結(jié)果實(shí)現(xiàn)了兩信號(hào)ui1與ui2帶加權(quán)系數(shù)（分別為Rf/R1和Rf/R2）的相加。例題4-4設(shè)計(jì)一加法器，要求輸入端電阻不少于10k，同時(shí)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算。5．同相加法運(yùn)算電路

例4-51．積分電路（三）積分、微分電路當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，若t

=

0時(shí)刻電容兩端的電壓為零，電容將以近似恒流的方式充電，當(dāng)輸出電壓達(dá)到運(yùn)放輸出的飽和值時(shí)，積分作用無法繼續(xù)，波形如圖所示。2．微分電路2．微分電路實(shí)用微分電路如圖4-15（a）所示。R1限制輸入電流，亦即限制R中的電流；VZ1、VZ2用以限制輸出電壓，防止阻塞現(xiàn)象產(chǎn)生；C為小容量電容，起相位補(bǔ)償作用，防止產(chǎn)生自激振蕩。若輸入為方波，且RCT/2（T為方波周期），則輸出為尖頂波，如圖4-15（b）所示。1．仿真實(shí)驗(yàn)：比例運(yùn)算電路的測(cè)試（四）項(xiàng)目實(shí)施圖4-16比例放大電路仿真測(cè)試電路圖4-17仿真結(jié)果2．實(shí)訓(xùn)：反相加法運(yùn)算電路的測(cè)試1．實(shí)訓(xùn)目的（1）了解集成運(yùn)放芯片的結(jié)構(gòu)與使用方法。（2）掌握利用集成運(yùn)放芯片構(gòu)成求和電路的方法。2．實(shí)訓(xùn)器材0～30V雙路直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)，數(shù)字萬用表1塊，集成運(yùn)放1塊，電阻若干。3．實(shí)訓(xùn)原理與參數(shù)選擇（1）加法求和電路如圖4-18所示。（2）元器件參數(shù)選擇。R1、R2和Rf均為1k，RP為1/3k，運(yùn)放為MC4558。4．實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及步驟（略）5．實(shí)訓(xùn)報(bào)告（1）整理實(shí)訓(xùn)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。（2）總結(jié)本次實(shí)訓(xùn)的收獲與體會(huì)。（一）有源濾波器項(xiàng)目二有源濾波器和電壓比較器測(cè)試濾波器有以下幾個(gè)特征參數(shù)。（1）通帶：能夠通過的信號(hào)頻率范圍。（2）阻帶：阻止信號(hào)通過或衰減信號(hào)的頻率范圍。（3）截止頻率（轉(zhuǎn)折頻率）fc：通帶與阻帶分界點(diǎn)的頻率。（4）Aup：通帶的電壓放大倍數(shù)。（5）fL：低頻段的截止頻率；fH：高頻段的截止頻率；f0：中心頻率（CenterFrequency）。1．一階低通濾波器

2．一階高通濾波器

1．過零比較器

（二）電壓比較器過零比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖4-30所示。2．一般單限比較器

將過零比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到一個(gè)固定電壓值Ur上，就得到電壓比較器，其電路和傳輸特性如圖4-31所示。調(diào)節(jié)Ur可方便地改變閾值。2．一般單限比較器

從輸出引一個(gè)電阻分壓支路到同相輸入端，即得到滯回比較器。（三）項(xiàng)目實(shí)施1．實(shí)訓(xùn)目的（1）加深對(duì)滯回比較器工作原理的認(rèn)識(shí)。（2）掌握滯回比較器的制作與調(diào)試方法。（3）了解滯回比較器的基本性能。2．實(shí)訓(xùn)器材運(yùn)放MC4558、萬用表、示波器、0～30V雙路直流穩(wěn)壓電源、電阻若干、常用電子工具。3．實(shí)訓(xùn)電路及參數(shù)選擇實(shí)訓(xùn)電路如圖4-33所示。R1、R2為1kW，R3為3.3kW，R4為330W，VDZ為1N4740（UZ=10V），運(yùn)放為MC4558。4．實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及步驟（1）接好電路，并接入+UCC=+15V，Udd=?15V。（2）保持步驟（1），接入ui=Ur=0（直接接地），用萬用表測(cè)量輸出直流電壓的大小，并把結(jié)果填入表4-2中。（3）保持步驟（2），微調(diào)ui，使ui在±1V之間變化，用萬用表測(cè)量并觀察輸出直流電壓的變化情況，把結(jié)果填入表4-2中。表4-2 測(cè)試結(jié)果5．實(shí)訓(xùn)報(bào)告（1）整理實(shí)訓(xùn)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。（2）總結(jié)本次實(shí)訓(xùn)的收獲與體會(huì)。項(xiàng)目Uo（步驟2）輸出電平（高/低）Uo（步驟3）抗干擾能力（有/無）

（一）正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器習(xí)慣上稱正弦波振蕩器，是由放大器、正反饋、選頻電路以及限幅器組成的。正弦波振蕩器的振蕩條件包括以下兩個(gè)方面。（1）相位條件。從輸出端反饋到輸入端的反饋電壓與原輸入電壓同相，即引入正反饋。（2）振幅條件。當(dāng)閉環(huán)放大倍數(shù)大于1時(shí)，電路可以產(chǎn)生振蕩。在臨界振蕩狀態(tài)時(shí)，其閉環(huán)放大倍數(shù)等于1。項(xiàng)目三波形發(fā)生器測(cè)試（二）非正弦波發(fā)生器1．電路組成方波發(fā)生器電路如圖4-35（a）所示。它由滯回比較器和具有延時(shí)作用的RC反饋網(wǎng)絡(luò)組成。（三）項(xiàng)目實(shí)施——正弦波發(fā)生器的測(cè)試1．實(shí)訓(xùn)目的（1）了解正弦波發(fā)生器的構(gòu)成。（2）掌握調(diào)整正弦波周期和頻率的方法。2．實(shí)訓(xùn)器材函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)，20M雙蹤示波器1臺(tái)，集成運(yùn)放1塊，電阻電容若干。3．實(shí)訓(xùn)電路與參數(shù)選擇（1）正弦波發(fā)生器電路如圖4-32所示。（2）元器件參數(shù)選擇如下。（三）項(xiàng)目實(shí)施——正弦波發(fā)生器的測(cè)試R為10～100kW，Rf為20kW，R1為10kW，C為100nF，運(yùn)放為MC4558。4．實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及步驟（1）接好電路，并接入+UCC=+15V，?UCC=?15V。（2）保持步驟（1），用示波器觀察并記錄輸出電壓波形。結(jié)果表明，該正弦波周期為__________，與理論計(jì)算值__________（相同/不相同）。（三）項(xiàng)目實(shí)施——正弦波發(fā)生器的測(cè)試（3）保持步驟（2），使Rf為10kW，觀察輸出電壓波形的變化情況，此時(shí)__________（是/否）有正弦波。這表明當(dāng)Rf＜2R1時(shí)，電路_________