模擬電路技術(shù)基礎(chǔ) 教案 4.3 集成運算放大器基礎(chǔ)知識 教案

PAGEPAGE2任務(wù)三集成運算放大器基礎(chǔ)知識教案課題名稱集成運算放大器基礎(chǔ)知識所屬科目模擬電路教學(xué)對象中職電子技術(shù)應(yīng)用專業(yè)班同步教材模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)課型新授￡復(fù)習(xí)教材主編歐小東課程性質(zhì)理論教學(xué)￡實踐教學(xué)授課時間年月日授課教師計劃課時2課時教學(xué)平臺多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、學(xué)習(xí)通課堂教學(xué)資源教科書、多媒體教學(xué)課件線上學(xué)習(xí)資源教學(xué)視頻、學(xué)習(xí)討論、課堂練習(xí)題、在線開放課程教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)：（1）了解集成電路的特點、種類及用途；（2）了解幾種典型的集成運放的引腳圖；（3）掌握集成運放在線性和非線性應(yīng)用時的條件與分析方法。能力目標(biāo)：（1）會集成運放的應(yīng)用接線。（2）掌握集成運放在線性和非線性應(yīng)用時的條件與分析方法。素質(zhì)目標(biāo)：（1）養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣；（2）具備良好的人際交往能力、團(tuán)隊合作精神和優(yōu)質(zhì)服務(wù)意識；（3）養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的學(xué)習(xí)習(xí)慣。教學(xué)重點（1）理解集成運放的組成結(jié)構(gòu)框圖和功能；（2）掌握理想集成運放的特性；教學(xué)難點根據(jù)理想集成運放的“虛斷”和“虛短”兩個重要結(jié)論。教學(xué)方法自主學(xué)習(xí)法、任務(wù)驅(qū)動法、合作探究法、演示法課前準(zhǔn)備教師：發(fā)布任務(wù)、推送資源，在線答疑解惑。學(xué)生：接收學(xué)習(xí)任務(wù)，查找相關(guān)資料自主學(xué)習(xí)；提出疑問。線下教學(xué)過程批注任務(wù)三集成運算放大器基礎(chǔ)知識4.3.1集成電路概述集成電路定義：在一塊單晶硅片上，用光刻法制作好所需的三極管、二極管、電阻和電容元器件，按一定的要求把它們連接起來，構(gòu)成完整的功能電路，即集成電路。集成電路廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。1．集成電路的特點（1）對稱性好。集成電路中的元器件均來自同一塊硅片，故制作同類元器件的性能一致性很高。（2）用有源元器件代替無源元器件。在集成電路中，阻值小的電阻通常用硅片的體電阻制作；阻值大的電阻或用三極管（或場效應(yīng)管）來代替，或外接的方法解決。因此，為減小硅片面積，盡量用有源元器（三極管或場效應(yīng)管）件代替無源元器件（電阻或電容）。（3）級間耦合多采用直接耦合方式。在集成電路中，容量小的電容用PN結(jié)的結(jié)電容制作，容量大的電容只能采用外接的方法解決。因此，級間耦合多采用直接耦合方式。2．集成電路的種類及用途①按管子和元器件數(shù)量即集成度來分，可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。②按所用器件的類型來分，可分為雙極型和單極型集成電路。③按其功能來分，可分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類。數(shù)字集成電路主要用于脈沖信號的處理。模擬集成電路是對模擬信號進(jìn)行放大或變換的電路，它又分為集成運算放大器、寬帶放大器、功率放大器、直流穩(wěn)壓器及各種專用集成電路等。集成運算放大器簡稱集成運放。它在模擬集成電路中應(yīng)用極為廣泛，也是我們今天學(xué)習(xí)的內(nèi)容。4.3.2集成運放的構(gòu)造與符號1．集成運放的結(jié)構(gòu)框圖集成運放由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路4部分組成，如圖4-13所示。集成運放各部分的作用描述如下。圖4-13集成運放的結(jié)構(gòu)框圖（1）輸入級：通常由具有恒流源的差動放大電路構(gòu)成，目的是盡量提高共模抑制比、減小放大電路的零漂、增大輸入阻抗、產(chǎn)生一定的電壓增益。它有兩個輸入端。其中一端為同相輸入端，當(dāng)輸入信號由該端輸入時，輸出信號與輸入信號相位相同；另一端為反相輸入端，當(dāng)輸入信號由該端輸入時，輸出信號與輸入信號相位相反。（2）中間級：通常由2～3級共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，以獲得足夠大的電壓放大倍數(shù)。（3）輸出級：通常由三極管共集電極放大器或互補對稱電路組成，這種電路類型可以減小輸出電阻，增強電路的帶負(fù)載能力。（4）偏置電路：一般由各種恒流源電路構(gòu)成，作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定、合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點。

2．集成運放的外形和符號集成運放的封裝外形如圖4-14（a）所示。主要有圓殼式、雙列直插式和扁平式，國產(chǎn)集成運放的封裝外形主要采用圓殼式和雙列直插式。集成運放的圖形符號如圖4-14（b）所示。其中，“”代表信號的傳輸方向，“∞”代表理想情況下的開環(huán)差模增益為無窮大，左側(cè)的“-”和“+”分別表示反相輸入端與同相輸入端，右側(cè)的“+”表示輸出端。集成運放的引腳有多個，在繪制其原理電路圖時，通常只畫輸入端和輸出端。圖4-14集成運放的封裝外形和圖形符號4.3.3常用集成運放簡介1．集成運放的引腳及功能圖4-15所示為幾種典型的集成運放的引腳圖。其中，OP07為低噪聲高精度單運放、LM358為通用型雙運放、LM324為通用型四運放、CF747為通用型雙運放。圖4-15幾種典型的集成運放的引腳圖

集成運放通常有8～14個引腳，表4-1所列為OP07的引腳符號及功能說明，對于其他集成運放的引腳符號及功能，讀者可觸類旁通。表4-1OP07的引腳符號及功能說明引腳符號功能引腳符號功能引腳符號功能引腳符號功能1OA調(diào)零端3IN(+)同相輸入端5NC空腳7+VCC正電源端2IN(-)反相輸入端4-VCC負(fù)電源端6OUT輸出端8OA調(diào)零端2．集成運放的應(yīng)用接線（1）國產(chǎn)第一代集成運放F004的外接線如圖4-16（a）所示?？梢?，圓殼式集成運放的引腳順序是引腳向上，序號自標(biāo)志起從小到大按順時針方向排列。引腳功能如下。7腳接正電源（+15V），4腳接負(fù)電源（-15V），6腳為輸出端，1、4、8腳接調(diào)零電位器，3腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，5、6腳之間的200k電阻及RP、CP的作用是消除自激。（2）7腳接正電源（+9～+18V），4腳接負(fù)電源（-18～-9V），6腳為輸出端，1、4、5腳外接調(diào)零電位器，3腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，8腳為空腳。（3）新型集成運放OP07的外接線如圖4-16（c）所示。不同類型集成運放的引腳排列和引腳功能是不同的，應(yīng)用時可查閱產(chǎn)品手冊來確定。圖4-16幾種典型集成運放的外接線4.3.4集成運放的主要參數(shù)1．開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Auo在未引入反饋時，集成運放的輸出電壓與輸入差模電壓之比稱為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)，記作Auo，Auo的理想值為無窮大，實際產(chǎn)品的典型值為105～107，即100～140dB。2．輸入電阻ri和輸出電阻rori是指在集成運放開環(huán)的情況下，差模輸入電壓與輸入電流之比。它的理想值為無窮大，實際值為幾百千歐到幾兆歐。ri越大，對信號源的影響越小，集成運放的性能越好。ro是指在集成運放開環(huán)且不接負(fù)載的情況下，輸出端對地的交流等效電阻。它的理想值為零，實際值在幾十歐左右。ro越小，電路的帶負(fù)載能力越強，集成運放的性能越好。3．共模抑制比KCMRKCMR用來綜合衡量集成運放的放大能力和抗零漂、抗共模干擾的能力，其理想值為無窮大，實際值可達(dá)80dB以上。其值越大越好。4．開環(huán)帶寬BWBW是指開環(huán)電壓放大倍數(shù)隨信號頻率的升高而下降3dB所對應(yīng)的頻帶寬度。BW越寬，集成運放性能越好。4.3.5集成運放的理想特性集成運放性能突出，盡管其應(yīng)用十分廣泛，但其工作區(qū)域只有兩個，或工作在線性區(qū)，或工作在非線性區(qū)。在實際應(yīng)用和分析集成運放電路時，可將實際集成運放視為理想集成運放，這樣可大大簡化對電路的分析過程。1．理想集成運放的特性（1）開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞。圖4-17理想集成運放的等效電路（2）輸入電阻ri→∞。（3）輸出電阻ro→0。（4）共模抑制比KCMR→∞。（5）開環(huán)帶寬BW→∞。（6）零輸入、零輸出，即當(dāng)uI+=uI-時，uO=0。滿足上述理想?yún)?shù)的集成運放稱為理想集成運放，其等效電路如圖4-17所示。2．關(guān)于理想集成運放的兩個重點結(jié)論（1）理想集成運放的兩個輸入端的電位差趨于零，即“虛短”。集成Auo即兩個輸入端的電位近似相等，相當(dāng)于短路。但內(nèi)部并沒有短路，也不能人為地在外部將其短接，故稱為“虛假短路”，簡稱“虛短”。（2）理想集成運放的輸入電流趨于零，即“虛斷”。理想集成運放兩個輸入端滿足uI+≈uI-，而輸入電阻ri→∞，因此必然沒有電流流入集成運放內(nèi)部，即即兩個輸入端取用的電流相等且?guī)缀鯙榱?，相?dāng)于斷路。但內(nèi)部并沒有真正斷開，故稱為“虛假斷路”，簡稱“虛斷”。3．集成運放在線性和非線性應(yīng)用時的條件與分析方法集成運放的電壓傳輸特性如圖4-18所示。應(yīng)用時的工作條件用實際電壓傳輸特性曲線予以說明。圖4-18集成運放的電壓傳輸特性（1）工作在線性區(qū)（虛線部分）的條件是電路引入深度負(fù)反饋，線性區(qū)的分析依據(jù)是“虛短”和“虛斷”，即uI+≈uI-，iI=0（2）工作在非線性區(qū)（實線部分）的條件是開環(huán)或正反饋狀態(tài)，分析依據(jù)是“虛斷”，“虛短”不再適用，即當(dāng)uI>0，即uI+>uI-時，uO=+Uom；當(dāng)uI<0，即uI+<uI-時，uO=-Uom。應(yīng)知應(yīng)會

知識小結(jié)（1）集成電路具有對稱性好、用有源元器件代替無源元器件、級間耦合多采用直接耦合方式的特點，分為數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類。（2）集成運放由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路4部分組成。（3）典型的集成運放