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实验十 集成运算放大器的基本应用(Ⅲ)
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集成运算放大器及其应用6.1集成运算放大器6.2放大电路中的负反馈6.3集成运算放大器的线性应用6.4集成运算放大器的非线性应用16.1集成运算放大器基尔比诺依斯第一个集成电路集成电路草图第二个集成电路2集成电路按集成度可分为六大类：小规模集成电路（SSI）、中规模集成...
集成运算放大器及其应用 6.1 集成运算放大器 6.2 放大电路中的负反馈 6.3 集成运算放大器的线性应用 6.4 集成运算放大器的非线性应用 1
6.1 集成运算放大器 基尔比 诺依斯 第一个集成电路 集成电路草图 第二个集成电路 2
集成电路按集成度可分为六大类：小规模集成电 路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集 成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、 特大规模集成电路（ULSI）和巨大规模集成电路 （GLSI） 根据功能与工作机理不同分为：数字逻辑IC、模 拟IC 集成电路：以半导体晶体材料,经平面工艺加工制造, 将电路的 元件、器件和互连线集成在基片内部、表 面或基片之上 的微小型化电路或系统。 优点：微电路与先前 用手工或机械方法制造的电 路相比，其可靠性高得很多， 成本也低得多。 3
一、 集成运算放大器的组成 加入信号 ui ? ui + 电压放大 输入级 中间级 输出级 输出 电源 提供偏置电流， 提供能量。 功率放大， 驱动负载 4
零点漂移问题 零点：放大器的输入信号为零时的输出电压Uo 零点漂移：当放大电路没有外加信号时，输出 端有缓慢变化的电压输出。 产生零点漂移的原因：温度对三极管性能的影响 零点漂移的危害 漂移电压和有效信号电压无法分辨，严重 时漂移电压甚至把有效信号电压淹没，使放 大电路无法正常工作。 5
如何克服零点漂移的问题 差动放大电路 输入级 1、典型电路 此电路的特点： 对称性 参数对称 结构对称 输入信号分别由2个 三极管的基极输入； 输出取自2个管子 的集电极之间。 6
2、抑制零点漂移的原理 静态时： IC 1 ? IC 2 ? IC VC 1 ? VC 2 ? VCC ? I C RC 输出电压 UO ? VC 1 ? VC 2 ? 0 温度发生变化时 ?IC 1 ? ?IC 2 ?VC 1 ? ?VC 2 输出电压的漂移 ?UO ? ?VC 1 ? ?VC 2 ? 0 结论：抑制了零点漂移 7
3、输入信号 （1）共模输入信号 两个输入端的信号电压 大小相等，极性相同。 ui 1 ? ui 2 ? uic 当输入端加共模信号时
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集成运算放大器及其应用
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6.1 集成运算放大器的基本组成
1. 理想集成运放的性能指标
理想集成运放的主要性能指标有：
（1）开环电压放大倍数Aud→∞;
（2）输入电阻rid→∞;
（3）输出电阻rod→0。
此外还有:没有失调,没有失调温漂,共模抑制比趋于无穷大等。尽管理想运放并不存在,但由于集成运放的技术指标都比较接近理想值,在具体分析时将其理想化是允许的,这种分析所带来的误差一般比较小,可以忽略不计。
2．集成运放的传输特性
实际电路中集成运放的传输特性如图6.1所示
3．集成运放的线性应用
集成运放工作在线性区的必要条件是引入深度负反馈。
当集成运放工作在线性区时,输出电压在有限值之间变化,而集成运放的
Aud→∞,则uid=uod/Aud≈0,由uid=u＋－u－, 得
u+≈u-上式说明,同相端和反相端电压几乎相等,所以称为
虚假短路,简称“虚短”。 由集成运放的输入电阻rid→∞,得
上式说明,流入集成运放同相端和反相端的电流几乎为零,所以称为虚假断路,简称“虚断”。
4．集成运放的非线性应用
当集成运放工作在开环状态或外接正反馈时,由于集成运放的Aud很大,只要有微小的电压信号输入,集成运放就一定工作在非线性区。其特点是:输出电压只有两种状态,不是正饱和电压＋Uom,就是负饱和电压－Uom。
（1）当同相端电压大于反相端电压,即u＋&u－时,
（2）当反相端电压大于同相端电压,即u＋&u－时,
uo=－Uom。
综上所述,在分析具体的集成运放应用电路时,首先判断集成运放工作在线性区还是非线性区,再运用线性区和非线性区的特点分析电路的工作原理。
放大器中的负反馈
6.2.1 反馈的定义与基本类型
1.什么是反馈
将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部,通过某些元件或网络（称为反馈网络）,反向送回到输入端,来影响原输入量（电压或电流）的过程称为反馈。
有反馈的放大电路称为反馈放大电路,其组成框图如图5.1（a）所示。
图5．1反馈放大电路组成
（a）反馈放大电路组成框图;（b）反馈放大电路
图5.1（b）是一个具体的反馈放大电路。图中除了基本放大电路外,还有一条由Rf和R1组成的电路接在输入端和输出端之间,由于它将输出量反送到放大器输入端,因此称为反馈元件,或称反馈网络。ui、uf、uid和uo分别表示电路的输入电压、反馈电压、净输入电压和输出电压。
2．反馈极性（正、负反馈）
在反馈放大电路中,反馈量使放大器净输入量得到增强的反馈称为正反馈,使净输入量减弱的反馈称为负反馈。 通常采用“瞬时极性法”来区别是正反馈还是负反馈,具体方法如下:
(1）假设输入信号某一瞬时的极性。
(2）根据输入与输出信号的相位关系,确定输出信号和反馈信号的瞬时极性。
(3）再根据反馈信号与输入信号的连接情况,分析净输入量的变化,如果反馈信号使净输入量增强,即为正反馈,反之为负反馈。
3．交流反馈与直流反馈
在放大电路中存在有直流分量和交流分量,若反馈信号是交流量，则称为交流反馈,它影响电路的交流性能;若反馈信号是直流量,则称为直流反馈,它影响电路的直流性能,如静态工作点。若反馈信号中既有交流量又有直流量,则反馈对电路的交流性能和直流性能都有影响。
4．反馈电路的类型
1）反馈在输出端的取样方式
从输出端看,若反馈信号取自输出电压,则为电压反馈；若取自输出电流,则为电流反馈。
(1）电压反馈。
在判断电压反馈时,根据电压反馈的定义——反馈信号与输出电压成比例,可以假设将负载RL两端短路（uo=0,但io≠0）,判断反馈量是否为零,如果是零,就是电压反馈。图5.4所示电压反馈电路正是如此,RL短路
判断电压反馈、电流反馈的简便方法是用负载短路法和负载开路法。由于输出信号只有电压和电流两种,输出端的取样不是取自输出电压便是输出电流,因此可利用其中一种方法就能判定。常用的方法是负载短路法,具体表述为:假设将负载ＲL短路,即uo=0,此时若反馈量为零,就是电压反馈,否则为电流反馈。
2）反馈在输入端的连接方式
电路如图5.6（a）所示,反馈网络的出口与信号源串联,因此称为串联反馈。在图5.6（b）中,反馈网络的出口与信号源并联,因此称为并联反馈
由上述分析可以看出,若反馈信号与信号源接在不同的端子上,即为串联反馈。若接在同一个端子上,则为并联反馈。
根据输出端的取样方式和输入端的连接方式,可以组成四种不同类型的负反馈电路:
(1) 电压串联负反馈;
(2) 电压并联负反馈;
(3) 电流串联负反馈;
(4)电流并联负反馈。
5．负反馈放大器的基本关系式
由图5.7所示负反馈放大器的方框图可得各信号量之间的基本关系式
xid=xi-xf x A=o
负反馈对放大器性能的影响xo xoAA===f一．减小非线性失真 xixid+xf1+AF
我们可以通过一个具体的电路演示来说明此问题。
1）演示电路 演示电路如图5.8所示
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&实验管理器：具有设定实验时间、定时报警、切断电源等功能；还可以自动记录与区分由于接线或操作错误所造成的漏电告警、仪表超量程告警等。（二）SE-02实验桌实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，造形美观大方；设有两个大抽屉、柜门，用于放置工具、存放挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。实验桌还设有四个轮子和四个固定调节机构，便于移动和固定，有利于实验室的布局。（三）实验箱1、SE-11 &电路基础实验（一）完成电表改装实验（配带镜面指针式精密毫安表一只），伏安特性实验，最大功率传输条件测定实验，电压源与电流源的等效变换实验及相关器件。2、SE-12 &电路基础实验（二）完成叠加原理、基尔霍夫定律（判断性实验）、戴维宁定理、诺顿定理及双口网络、互易定理实验。3、SE-13 &电路基础实验（三）完成受控源、回转器、负阻抗变换器实验，图形采用标准网络符号。4、SE-14 &电路基础实验（四）完成一阶、二阶动态电路，电路状态轨迹的观测实验。5、SE-15 &电路基础实验（五）完成R、L、C串联谐振（电感用空心），R、C串、并联选频网络，R、C双T网络实验。6、SE-16 &交流电路实验（一）　完成正弦稳态交流电路相量的研究（日光灯功率因数提高实验），黑匝子实验（R、L、C元件特性及参数测定）7、SE-17 &交流电路实验（二）完成三相电路（每相三只灯泡并联）实验。8、SE-17A &交流电路实验（二）完成三相电路（每相两只灯泡串、并联）实验。9、SE-18 &磁路与变压器应用实验提供磁滞回线变压器、双绕组变压器及相关器件。10、SE-19 &元件箱提供实验所需的电阻、电容、电感、电位器、十进制可调电阻等实验器件。11、SE-20 &三相电容箱提供三相高压电容，每相容值为1uF/500V、2.2uF/500V、4.7uF/500V。12、SE-24　继电接触控制（一）提供交流接触器、热继电器及模拟灯泡各一只，带灯按钮三只（黄、绿、红各一只）。13、SE-25　继电接触控制（二）提供交流接触器两只、时间继电器（通电延时）一个，以及能耗制动电源变压器、整流二极管、电阻等。14、SE-22 &数字电路实验箱提供数百个高可靠锁紧式防转叠插座，高可靠圆脚集成块插座（8P、14P、16P、20P、28P及40P各若干个），可靠的镀银长紫铜管（供插电阻、电容、电位器及三极管用）及固定器件（10K多圈电位器1只，100K电位器1只，按钮开关2只以及晶振）等。15、SE-23 &模拟电路实验箱提供多个高可靠锁紧式防转叠插座，高可靠圆脚集成块插座（8P　2只,14P　1只）、可靠的镀银长紫铜管（供插电阻、电容、电位器及三极管用）、指针式直流毫安表（量程为1mA，内阻为100Ω）及固定元器件（三端稳压块、电容器、信号灯、场效应管、三极管、可控硅，整流桥堆、功率电阻及电位器等）。16、三相鼠笼电机（△380V）2台 &电机的三个绕组均已引出，接线方便。实验连接线：根据不同实验项目的特点，配备两种不同的实验联接线，强电部分采用高可靠护套结构手枪插连接线（不存在任何触电的可能），里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线，达到超软目的，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，具有柔软、耐压高、强度大、防硬化、韧性好等优点，插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片，接触安全可靠；弱电部分采用弹性铍轻铜裸露结构联接线，两种导线都只能配合相应内孔的插座，不能混插，大大提高了实验的安全及合理性。五、装置的主要优点及安全保护体系1、三相四线制(或三相五线制)电源输入，总电源由三相钥匙开关控制。2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。3、三相交流电源0～450V连续可调，单相交流电源0～250V连续可调，设有三相同轴联动自耦调压器（1.5KVA）一台，可更好地满足教学实验要求。4、屏上装有电压型漏电保护装置，控制屏内或强电输出若有漏电现象，即告警并切断总电源，确保实验进程安全。5、屏上装有一套电流型漏电保护器，控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源。6、屏上三相调压器付边设有一套过流保护装置。调压器输出短路或所带负载太大，电流超过设定值，系统即告警并切断总电源。7、测量仪表精度高，采用数字化、智能化及人机对话模式，符合现代测量仪表发展方向。各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。8、实验连接线及插座采用不同的结构，使用安全、可靠、防触电。六、实验项目（一）电工基本实1．基本电工仪表的使用与测量误差的计算 &2．减小仪表测量误差的方法3．仪表（电压表、电流表）量程扩展实验4．电路元件伏安特性的测绘 &5．电位、电压的测定及电路电位图的绘制6．基尔霍夫定律验证及其故障判断7．叠加原理验证及其故障判断8．电压源与电流源的等效变换9．戴维南定理验证10．诺顿定理验证11．最大功率传输条件测定12．二端口网络实验13．互易定理实验14．受控源VCVS、VCCS、CCVS、CCCS &的实验研究15．典型电信号的观察与测量16．RC一阶电路的响应测试17．二阶动态电路响应的研究18． &R、L、C元件阻抗特性的测定19． RC串、并联选频网络特性测试20． &R、L、C串联谐振电路的研究21．RC双T选频网络22．电路状态轨迹的观测23．R、L、C元件特性及交流电参数测定-判断性实验24．用三表法测量交流电路等效参数25．正弦稳态交流电路相量的研究26．互感实验27．单相铁心变压器特性的测试28．磁滞回线的观察29．变压器同名端判断及其应用-设计性实验30．三相交流电路电压、电流的测量31．三相电路功率的测量32．单相电度表的校验33．功率因数及相序的测量34．负阻抗变换器及其应用35．回转器及其应用（二）继电接触控制实验1．三相鼠笼式异步电动机2．三相异步电动机点动和自锁控制3．三相异步电动机的正反转控制4．三相异步电动机Y-Δ降压起动控制5．三相异步电动机能耗制动控制6．三相异步电动机起动顺序控制7．C620车床的电气控制线路(三)数字电路实验1.TTL集成逻辑门的参数测试。2.CMOS集成逻辑门的参数测试。 &3.TTL集电极开路门与三态输出的应用。 4.与门、或门、异或门逻辑电路测试。 5.半加器、全加器电路实验。 &6.RS、D、JK触发器及JK与D触发器的转换电路。 7.计算器。 8.MSI移位寄存器及其应用。 9.译码器及变换方式。 &10.数据选择器及逻辑设计。 11.用集成与非门构成单稳态触发器和RC环形多谐振荡器12.利用门电路构成编码器、分配器、选择器。 &13.组合电路的设计之一。14.组合电路设计之二---显示电路。15.同步时序电路的设计16.计算机时序电路的设计17.集成定时器测试及应用18.D/A、A/D转换器。19.电子秒表---大型综合实验。20.二极管与门、或门电路21.三极管&非门&电路22.三极管&与非门&电路23.三极管&或非门&电路 &24.异步十进制加法计数器25.异步十进制减法计数器26.智力竞赛抢答装置---大型综合实验二……自由设计实验。(四)模拟电子电路实验1.常用电子仪器的使用。 &2.晶体二极管的特性与检测。 3.晶体三极管的输入、输出特性。 4.晶体管共射极单管放大器。 5.射极耦合触发器。 &6.RC耦合两级放大器。 7.负反馈对放大器性能的影响。 8.场效应管放大器。 9.差动放大电路。 &10.运算放大器指标测试。 11.集成运算放大器的基本应用（多种模拟运算电路） 12.RC正弦波振荡器---集成运算放大器非线性应用一 &13.方波发生器---集成运算放大器非线性应用二 14.三角波和方波发生器---集成运算放大器非线性应用三15.LC正弦波振荡器 &16.变压器耦合推换功率放大器。17.OTL功率放大器。18.集成功率放大器。19.电压---频率转换电路。20.单相半波、全波、桥式整流电路。21.串联型晶体管直流稳压电源（设计性实验）22.集成直流稳压电源。23.单结晶管特性。24.单结晶体管触发电路。25.晶闸管间单测试。26.晶闸管可控整流电路（综合性实验）27.函数信号发生器的组装与调试（综合性实验）28.万用表的设计与调试（综合性实验）29.电子门铃电路---趣味性应用实验一30.电子报警电路---趣味性应用实验二31.光控简易灯自动开关电路---趣味性应用实验三32.电子催眠器---趣味性应用实验四33.温控电路---趣味性应用实验五……自由设计。七、配置清单(每台)序号编号名&&&&&&&&&&&&&&&&&& &称数量1SE-01SE-02电源仪器控制屏、实验桌1套2SE-11电路基础实验（一）1件3SE-12电路基础实验（二）1件4SE-13电路基础实验（三）1件5SE-14电路基础实验（四）1件6SE-15电路基础实验（五）1件7SE-16电路基础实验（一）1件8SE-17电路基础实验（二）1件9SE-17A电路基础实验（三）1件10SE-18磁路与变压器应用实验1件11SE-19元件箱1件12SE-20三相电容箱1件13SE-22数字电路实习箱1件14SE-23模拟电路实习箱1件15SE-24继电接触控制（一）1件16SE-25继电接触控制（二）1件17三相鼠笼电动机（△380V）1台18数据采集器1套19高可靠护套结构手枪插实验连接线及配件1套
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