【文章內(nèi)容簡介】 地一定要分別加入一電解電容（ 10mF）和一高頻濾波電容（ ~）。 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，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，也需要從這三個方面進(jìn)行保護(hù)。 （ 1）輸入保護(hù) 圖 (a)所示是防止差模電壓過大的保護(hù)電路，限制集成運(yùn)放兩個輸入端之間的差模輸入電壓不超過二極管 VD VD2 的正向?qū)妷?。圖 (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 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 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娦裕陔娫炊舜佣O管來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，如圖 所示。由圖可見，若電源極性接錯，則二極管 VD VD2 不能導(dǎo)通，使電源被斷開。 圖 電源端保護(hù) 比例運(yùn)算放大電路 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=∞； （ 8）無干擾、噪聲。 集成運(yùn)放的兩個工作區(qū) 1． 運(yùn)放工作在線性工作區(qū)時的特點(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，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 ”是截然不同的兩個概念， “虛短 ”的兩點(diǎn) 之間，仍然有電壓，只是電壓十分微??；而 “短路 ”的兩點(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 所示。 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時，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，兩個輸入端的電流均為無窮小，)( ?? ??? uuAuAu odiodo???uu0?? ?? ii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)，也可外加正反饋。 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，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 所示。 圖 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)放兩個輸入端向外看的等效電阻相等，因此在同相端接入一個 R′為平衡電阻， R′ = Rf∥ R1。 0?? ?? iiF011 RuiRui fi ??? ，fii?1F01 RuRui ??i1F0 uRRu ??(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 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′ = Rf∥ R1。 圖 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。 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，此時電路構(gòu)成電壓跟隨器，如圖 所示。 圖 電壓跟隨器 Fi011 RuuiRui fi ????? ，fii?1F01 RuuRu ii ??i1F0 )1( uRRu ??（ 3）反相求和電路 反相求和電路如圖 所示，圖中有兩個輸入信號 ui 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 R 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′ = Rf∥ R1∥ R2。 圖 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)?： 將各電流代入 ： 整理上式可得 ： 如果取各輸入電阻 ： 則 ： 實(shí)現(xiàn)了反相求和運(yùn)算 。 2i221i11 RuiRui ?? ，F(xiàn)0 Ruif ??fiii ?? 21F022i11i RuRuRu ???)( 22i11iF0 RuRuRu ???FRRR ?? 21)( 2i1i0 uuu ???（ 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 所示。 圖 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 ： 43i32i21i1 RuRuRuRu ????)( 3i32i21i14 RuRuRuRuu ???? ??iuRRu )1( 1F0 ??)()1( 3i32i21i14Fo RuRuRuRRRu ????)()( 3i32i21i1F3i32i21i1FFFo RuRuRuRRuRuRuRR RRR RRu ????????4FN // RRRR ??F321 RRRR ???3i2i1i0 uuuu ???（ 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 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 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)? 所以 ： 將 i1 代入 u0 表達(dá)式得 ： 電路實(shí)現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時間的積分。式中的比例常數(shù) RC 稱為電路的時間常數(shù)。 圖 基本積分電路的積分波形 ????? dtiCuu cC 10 1cii ?1RuidtiCu i1110 1 ??? ? ，其中??? dtuRCu i10 1（ 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 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 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)? 又有 ： 所以 ： 電路實(shí)現(xiàn)了輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。式中的比例常數(shù) RC 稱為電路的時間常數(shù) 圖 微分電路信號波形 dtduCdtduCi c i1C1 ??RudtduCii Rc 0i1 ????dtduCRu i0 ?? 課題 項(xiàng)目四 信號產(chǎn)生電路設(shè)計與制作 任務(wù)二 三角波、方波發(fā)生器設(shè)計與制作 任務(wù) 分解 方波發(fā)生器的制作與調(diào)試 三角波發(fā)生器的制作與調(diào)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 √ √ √ √ √ 能力目標(biāo) 會用集成運(yùn)放設(shè)計方波發(fā)生器； 會用集成運(yùn)放設(shè)計三角波、鋸齒波發(fā)生器； 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) 掌握集成運(yùn)放的非線性典型應(yīng)用電路 ； 掌握方波發(fā)生器電路組成和工作過程 ； 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) 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； 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)； 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 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