电工学 第10章 课后习题答案课件.ppt
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1、第 10 章 集成运算放大器,10.1 集成运算放大器概述,10.2 反馈的基本概念,10.3 负反馈对放大电路性能的改善,10.4 理想运算放大器,10.5 基本运算电路,10.6 电压比较器,10.7 RC 正弦波振荡电路,分析与思考,教学基本要求,练习题,返回主页,教 学 基 本 要 求,1. 了解集成运算放大器的基本组成和电压传输特性; 2. 理解反馈的概念,了解负反馈对放大电路性能的影响; 3. 理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法; 4. 理解基本运算电路的工作原理和分析方法; 5. 理解基本电压比较器的组成和电压传输特性; *6. 了解迟滞电压比较器的组成和电压传输特性; 7.
2、 理解自励振荡的条件,了解用集成运算放大器组成的 RC 振荡电路的工作原理。,返 回,10.1 集成运算放大器概述,(一) 集成运算放大器的组成,输入端,输出端,图 10.1.1 集成运放的组成, 特点: 多级直接耦合放大电路; 输入级采用差分放大电路,KCMRR 和 ri 很高; 中间级采用多级共射电路,Au 很高; 输出级采用互补对称功率放大电路,ro 很小,带负载能力很强。,返 回,下一节,上一页,下一页,图 10.1.2 集成运放的图形符号,反相输入端 同相输入端,输出端 uo,u u+, ud +, 输入方式: 反相输入 同相输入 差分输入,u u+,uo,图 10.1.3 F007
3、 的外部接线和管脚图,返 回,下一节,上一页,下一页,(二) 电压传输特性,线性区,正饱和区,负饱和区,当 ud+ 时: uo = Ao ud = Ao(u+u) 当 ud (+) 时: uo = + UOM+UCC 当 ud () 时: uo =UOMUEE,返 回,下一节,上一页,下一页,10.2 反馈的基本概念,输入信号 xi,净输入 信号 xd,输出信号 xo,xf 反馈信号,比较环节,图 10.2.1 反馈示意图,开环放大倍数:,闭环放大倍数:,反馈系数:,返 回,下一节,上一页,下一页,上一节,(一) 反馈的分类:,(1) 正反馈和负反馈: 正反馈: xf 与 xi 作用相同, 使
4、 xd 增加; 负反馈:xf 与 xi 作用相反,使 xd 减小。 (2) 电压反馈和电流反馈: 电压反馈:xf uo(xo ) 电流反馈:xf io (xo) (3) 串联反馈和并联反馈 串联反馈:xf 与 xi 以串联的形式作用于净输入端; 并联反馈:xf 与 xi 以并联的形式作用于净输入端。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(4) 直流反馈和交流反馈, 直流反馈:xf 是静态直流分量; 交流反馈:xf 是动态交流分量。 (二) 反馈的判断方法 1. 判断是否存在反馈?哪些是反馈元件? 2. 是正反馈还是负反馈? 对于负反馈: 3. 判断是交流负反馈还是直流负反馈? 对于交流负反
5、馈: 4. 判断交流负反馈的类型: 电压反馈?电流反馈?串联反馈?并联反馈?,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,例如:在图 10.2.2 (a) 所示电路中,, ud +, uf +,(1) 当无负反馈时, ud ui,ud uiuf 当 uo = 0时:,(2) 当增加 RF 和 R1 后:,uf = 0 因此 ufuo, 结论: RF 和 R1 :串联电压负反馈。,(a) 串联电压负反馈 图 10.2.2 集成运放电路中的负反馈 (注:与书中的电路有所不同),返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(2) 增加 RF 支路后:,id = iiif,当 io = 0 时:, 结论: R
6、F :并联电流负反馈。,if = 0 因此 ifio,例如:在图 10.2.2 (b) 所示电路中,,(1) 当无负反馈时, id ii,(b) 并联电流负反馈 图 10.2.2 集成运放电路中的负反馈 (注:与书中的电路有所不同),返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,例如:在图 10.2.3 所示电路中,,(1) 对直流信号 UBE = UBUF = UBREIE (2) 对交流信号: ube= uiuf 即 ud = uiuf 其中 uf = Reie,ieic,+ uf , 结论: RE:串联电流负反馈。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.2.3 放大电路中的反馈,反
7、馈元件: RE,补充例题 1 判断图示电路的反馈类型。,解 ui0 uo0 ib = iiif,即 if uo 结论: RB :并联电压负反馈。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,例 10.2.1 试判断图示电路中 Rf 所形成的反馈。,解,uf +, ud +,用瞬时极性法判断正、负反馈:,设:ui0,uo10,uo0,uf0, ud = uiuf,= ui + |uf |,ui,为正反馈;, 输出端开路时,uf 0,为电压反馈;, 为串联电压正反馈。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.2.4 例10.2.1 的电路,(三) 负反馈对放大电路性能的改善,Xd = Xi
8、Xf,即:,如果: |F | |Ao |1, 深度负反馈。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,对于深度负反馈:,(1) 提高了放大倍数的稳定性,可见:,例如:,|F | = 0.009, |Ao| = 1 000,如果:,则:,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(2) 加宽了通频带,图 10.3.1 加宽通频带,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(3) 改善了非线性失真:,(a) 无负反馈时,(b) 有负反馈时,图 10.3.2 改善非线性失真,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(4) 稳定了输出电压或电流,电压负反馈:稳定 uo 电流负反馈:稳定 io (5) 改变了
9、输入电阻或输出电阻 串联反馈:ri 并联反馈:ri 电压负反馈:ro 电流负反馈:ro,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,10.3 理想运算放大器, 理想运放的主要条件: (1) 开环放大倍数:Ao (2) 开环输入电阻:ri (3) 开环输出电阻:ro0 (4) 共模抑制比:KCMRR,图 10.4.1 理想运放的电压 传输特性, 传输特性: 当 u+ u时:,uo = + UOM,当 u+u时:,uo =UOM,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页, 引入深度负反馈时理想运放的分析方法:,图 10.4.2 引入负反馈后的理想运放电路,(1) Ao,= 0,即,u+ = u,虚短路,
10、(2) ri,= 0,虚断路,(3) ro0,uoL= uo,输出电压不受负载的影响,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,10.4 基本运算电路,(一) 比例运算电路 (1) 反相比例运算电路,u u+,u= u += 0,虚地,i1 = if,闭环电压放大倍数 Af,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.5.1 反相比例运算电路,平衡电阻,当 Rf = R1 时: uo = ui,反相器,静态时:,平衡电阻: R2 = R1 / Rf,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(2) 同相比例运算电路,u u+,图 10.5.2 同相比例运算电路,u= u + = ui if
11、= i1,uo= ui 条件 ?,平衡电阻: R2 = R1 / Rf,图 10.5.3 电压跟随器,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,例10.4.1 测量电阻的电路如图所示。其中 ui = U = 10 V,输出端接有满量程为 5 V 的电压表,被测电阻为 Rx 。(1) 试找出 Rx 与电压表读数的关系; (2) 若所用运放 为 F007 型,为了扩大测量电阻的范围,将电压表的量程 选为 50 V 是否有意义?,解 图 10.4.4 是一个反相比例运算电路。 (1),=105 uo ,1 2 3 4 5,105,2105,3105,4105,5105,返 回,上一节,下一节,上一页,
12、下一页,图 10.4.4 例10.4.1 的电路,(2) 查附录可知:,F007 型的最大输出电压为12 V。 因此,选用超过 12 V 量程为 50 V 的电压表 无意义。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图10.5.5 加法运算电路,(二) 加法运算电路,uo = uo+ uo,+ ,虚地,虚地,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,uo = uo+ uo, 若 R11 = R12 = R1, 则:, 若 R11 = R12 = Rf , 则: uo=(ui1 + ui2) 平衡电阻: R2 = R11 / R12 / Rf,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(三) 减法运
13、算电路,当ui1单独作用时:, 当 ui2 单独作用时:,?,u u+,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.5.6 减法运算电路,则: uo = uo + uo,当,时:,平衡电阻: R2 / R3= R1 / Rf,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,例10.4.2 两级运算电路如图 10.5.2 所示。(1) 试推 导 uo 与 ui1、ui2、ui3 的运算关系;(2) 若: R1= R2= Rf1= 30 k, R3 = R4 = R5 = R6 =Rf2 = 10 k,ui1= 0.1 V,ui2= 0.2 V,ui3= 0.3 V,求 uo 的值。,uo,解 (1
14、),第一级运算为加法运算:,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.5.7 例10.5.2 的电路,uo=,=,(2),uo=,ui3 +,ui2 + ui1,=(0.3 + 0.2 + 0.1) V,= 0.6 V,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.5.7 例10.5.2 的电路,(四) 微分运算电路,+ uC,u= u+ = 0 uC = ui if = i1,微分时间常数,平衡电阻: R2 = Rf,(b) 波形,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.5.8 微分运算电路及其阶跃响应波形,(a) 电路,补充例题2 已知输入 ui 的波形如图所示,试画
15、出输出 uo 的波形。设 5 Rf Ctp 。,解,t1 t2,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(五) 积分运算,+ uC,u = u+ = 0 uC = uuo =uo if = i1,积分时间常数,平衡电阻:,R2 = R1,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(b) 波形,图 10.5.8 微分运算电路及其阶跃响应波形,(a) 电路,(一) 基本电压比较器,10.5 电压比较器,(b) 电压传输特性 图 10.5.1 基本比较器(一),(a) 信号输入方式,(b) 电压传输特性 图 10.5.1 基本比较器(二),(a) 信号输入方式,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,
16、例10.5.1 分析电路的功能和工作原理。,解 当温度低于某值时, R3 的阻值大: uiUR ,ui,UR,热敏电阻,uo=UOM,T 截止,,KA 不通电;,当温度高于某值时, R3 的阻值小: uiUR ,uo = + UOM,T 饱和导通, KA 通电,触点动作。, R、D1 和 D2 的作用? 调节 R2 的目的?,图 10.6.3 过温度保护电路,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,*(二) 迟滞电压比较器,u u+,当 uo= +UOM 时:,当 uo=UOM 时:,上限触发电压,下限触发电压,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,(a) 电路图 (b) 电压传输特性 图
17、10.6.4 迟滞比较器,10.6 RC 正弦波振荡电路,(一)自励振荡,AoF =1 自励振荡的条件 (1)自激振荡相位条件:必须是正反馈。 (2)自激振荡振幅条件:|Ao | | F | =1,返 回,上一节,上一页,下一页,图 10.6.1 自励振荡的条件,(二)起振过程,接通电源 Uo,Ui = Uf = | F |Uo, Uo1= | Ao F | Uo, Uo, Uo2 = | Ao F |Uo1, Uo3 = | Ao F |Uo2,Uo2 ,Uo1,结论:, 才能起振, 振荡稳定, 不能起振, |Ao | | F | 1, |Ao | | F | = 1, |Ao | | F
18、| 1,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页, 振荡电路的组成:, 放大电路 反馈电路 选频电路 (三)选频网络:,当:,uf 与 uo 同相位。,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,RC 选频网络,如果:R1 = R2 = R,C1 = C2 = C,则:,F =,谐振频率:,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页, 频率特性:,当:f = fn 时, jf = 0,,uf 与uo同相位,|F | = |F |max,当:f fn 时, jf 0,,uf 与 uo不同相位。,|F | |F |max,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,反馈电路 选频电路, RC 振荡电路原理图:,
19、返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,图 10.7.2 振荡电路原理图,(四)振荡电路,uo,+ uf _,ui=uf,因为:,当:,所以,起振条件为:,1,| Ao F | =,返 回,上一节,下一节,上一页,下一页,即 Rf 2R1,教 学 基 本 要 求,1. 了解集成运算放大器的基本组成和电压传输特性; 2. 理解反馈的概念,了解负反馈对放大电路性能的影响; 3. 理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法; 4. 理解基本运算电路的工作原理和分析方法; 5. 理解基本电压比较器的组成和电压传输特性; *6. 了解迟滞电压比较器的组成和电压传输特性; 7. 理解自励振荡的条件,了解用集成
20、运算放大器组成的 RC 振荡电路的工作原理。,返 回,分 析 与 思 考,10.3 (2) 加有负反馈的某集成运放电路,已知 | Ao | = 1 000,| F | = 0.049,如果输出电压 Uo = 3V,试求它的 输入电压 Ui 、反馈电压 Uf 和净输入电压 Ud 。,10.4 (1) 分析工作于线性区的理想集成运放电路的基 本依据有哪些?,10.4 (2) 理想集成运算放大器在非线性区工作时,是 否可以认为 ud = 0 ,id = 0 ?,10.3 (1) 为了分别实现:(a) 稳定输出电压; (b) 稳 定输出电流; (c) 提高输入电阻; (d) 降低输出电阻,应 当引入哪
21、种类型的负反馈?,返 回,下一页,10.5 (1) 什么是虚地?在上述六种基本运算电路中, 哪些电路存在虚地?,10.5 (2) 在上述六种基本运算电路中,它们的信号输 入方式各属于哪一种?,10.5 (3) 由理想集成运放组成的上述六种基本运算电 路中,它们的输出电压与输入电压的关系是否会随着负载 的不同而改变?,10.5 (4) 上述六种基本运算电路的输出电压与输入电 压的关系式,是否输入电压无论多大都成立?,10.6 (1) 电压比较器和基本运算电路中的集成运放分 别工作在电压传输特性的哪个区?,10.6 (2) 试分析零比较器的电压传输特性及输出和输 入电压的关系?,返 回,上一页,下
22、一页,10.6 (3) 试分析在 UR = 0 时,迟滞电压比较器的 UH 和 UL ;画出其电压传输特性。,10.7 (1) 如果将教材图 10.7.2 所示电路中的放大电路 改用下述放大电路能否满足自励振荡的条件: (a) 一级共射放大电路;(b) 一级共集放大电路; (c) 一级共基放大电路。,返 回,上一页,下一页,分析与思考解答,10.3 (1) 为了分别实现:(a) 稳定输出电压; (b) 稳定 输出电流; (c) 提高输入电阻; (d) 降低输出电阻,应当 引入哪种类型的负反馈?,返 回分析与思考题集,下一题,【答】 (a) 引入电压负反馈能稳定输出电压; (b) 引入电流负反馈
23、能稳定输出电流; (c) 引入串联负反馈能提高输入电阻; (d) 引入电压负反馈能降低输出电阻。,10.3 (2) 加有负反馈的某集成运放电路,已知 | Ao | = 1 000,| F | = 0.049,如果输出电压 Uo = 3V,试求它的 输入电压 Ui 、反馈电压 Uf 和净输入电压 Ud 。 【答】,Uf = |F | Uo = ( 0.049 3 ) V = 0.147 V,上一题,下一题,返 回分析与思考题集,10.4 (1) 分析工作于线性区的理想集成运放电路的基 本依据有哪些?,上一题,下一题,返 回分析与思考题集,【答】 分析工作于线性区的理想集成运放电路的基本 依据有三
24、条: (a) ud = 0,两输入端之间是虚短路; (b) id = 0,两输入端之间是虚断路; (c) 输出电压不受负载大小的影响。,10.4 (2) 理想集成运算放大器在非线性区工作时,是 否可以认为 ud = 0 ,id = 0 ?,上一题,下一题,返 回分析与思考题集,【答】 不可以认为 ud = 0 ,id = 0。因为这时的理想集 成运算放大器工作在非线性区(正、负饱和区),由电压 传输特性可知 ud 0,对于 id 来说,因 ri ,故可以认 为 id = 0。,10.5 (1) 什么是虚地?在上述六种基本运算电路中, 哪些电路存在虚地?,上一题,下一题,返 回分析与思考题集,【
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