信号产生电路设计与制作(编辑修改稿)

信号产生电路设计与制作(编辑修改稿)内容摘要：

地一定要分别加入一电解电容（ 10mF）和一高频滤波电容（ ~）。 4．集成运放的保护问题 集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信 号过大，使 PN 结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接 “地 ”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。 因此，为使运放安全工作，也需要从这三个方面进行保护。 （ 1）输入保护 图 (a)所示是防止差模电压过大的保护电路，限制集成运放两个输入端之间的差模输入电压不超过二极管 VD VD2 的正向导通电压。 图 (b)所示是防止共模电压过大的保护电路，限制集成运放的共模输入电压不超过 +U 至 U 的范围。 （ 2）输出保护 图 所示为输出端保护电路，限流电阻 R 与稳压管 VZ 构成限幅电路，它 一方面将负载与集成运放输出端隔离开来，限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值。 当然，任何保护措施都是有限度的，若将输出端直接接电源，则稳压管会损坏，使电路的输出电阻大大提高，影响了电路的性能。 图 输出保护电路 （ 3）电源端保护 为防止电源极性接反，可利用二极管的单向导电性，在电源端串接二极管来实现保护，如图 所示。 由图可见，若电源极性接错，则二极管 VD VD2 不能导通，使电源被断开。 图 电源端保护 比例运算放大电路 理想 运算放大器 理想运放可以理解为实际运放的理想化模型。 就是将集成运放的各项技术指标理想化，得到一个理想的运算放大器。 即： （ 1）开环差模电压放大倍数 Aod=∞； （ 2）差模输入电阻 rid=∞； （ 3）输出电阻 rod=0； （ 4）输入失调电压 UIO=0，输入失调电流 IIO=0；输入失调电压的温漂 dUIO/dT=0，输入失调电流的温漂 dIIO/dT=0； （ 5）共模抑制比 KCMR=∞； （ 6）输入偏置电流 IIB=0； （ 7） 3dB 带宽 fh=∞； （ 8）无干扰、噪声。 集成运放的两个工作区 1． 运放工作在线性工作区时的特点 在集成运放应用电路中，运放的工作范围有两种情况：工作在线性区或工作在非线性区。 线性工作区是指输出电压 uo 与输入电压 ui 成正比时的输入电压范围。 在线性工作区，集成运放 uo 与 ui 之间关系可表示为 式中， Aod为集成运放的开环差模电压放大倍数， u+和 u分别为同相输入端和反相输入端电压。 对于理想运放， Aod=∞；而 uo 为有限值，工作在线性区时，有： u+u≈ 0，即： 这一特性称为理想运放输入端的 “虚短 ”。 “虚短 ”和 “短路 ”是截然不同的两个概念， “虚短 ”的两点 之间，仍然有电压，只是电压十分微小；而 “短路 ”的两点之间，电压为零。 由于理想运放的输入电阻 rid=∞，而加到运放输入端的电压有限，所以运放两个输入端的电流： 这一特性称为理想运放输入端的 “虚断 ”。 2． 运放工作在非线性工作区时的特点 在非线性工作区，运放的输入信号超出了线性放大的范围，输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到饱和，输出电压为正向饱和压降 UOH（正向最大输出电压）或负向饱和压降 UOL（负向最大输出电压），如图 所示。 理想运放工作在非线性区时，由于 rid=ric=∞，而输入 电压总是有限值，所以不论输入电压是差模信号还是共模信号，两个输入端的电流均为无穷小，)(   uuAuAu odiodouu0  ii即仍满足 “虚断 ”条件： 为使运放工作在非线性区，一般使运放工作在开环状态，也可外加正反馈。 比例运算电路 线性应用电路中，一般都在电路中加入深度负反馈，使运放工作在线性区，以实现各种不同功能。 典型线性应用电路包括各种运算电路及有源滤波电路。 在对集成运放应用电路的分析过程中，一般将实质运放视为理想运算放大器来处理，只有在需要研究应用电路的误差时，才会考虑实际运算放大器特性带来的影响。 (1) 反相比例运 算电路 反相比例运算电路也称为反相放大器，电路组成如图 所示。 图 反相比例运算电路 由 “虚断 ”可推出： i+=0，因此 u+“虚地 ” 根据 “虚短 ”又可推出： u= u+=0 可得： 反相输入端虚断，所以 ： 整理后可得 可见反相比例运算电路的输出电压与输入电压相位相反，而幅度成正比关系，比例系数取决于电阻阻值之比 为 使运放输入级的差分放大电路参数保持一致，要求从运放两个输入端向外看的等效电阻相等，因此在同相端接入一个 R′为平衡电阻， R′ = Rf∥ R1。 0  iiF011 RuiRui fi  ，fii1F01 RuRui i1F0 uRRu (2) 同相比例运算电路 同相比例运算电路又称为同相放大器，其电路如图 所示。 输入电压加在同相输入端，为保证运放工作在线性区，在输出端和反相输入端之间接反馈电阻 Rf构成深度电压串联负反馈， R′为平衡电阻， R′ = Rf∥ R1。 图 同相比例运算电路 由 “虚断 ”可推出： i+=0， 根据 “虚短 ”又可推出： u= u+≈ ui 可得： 由图可知 ： 整理后可得 ： 显然同相比例运算电路的输出必然大于输入。 比例系数取决于电阻 Rf与 R1 阻值之比。 同相比例运算电路中引入了电压 串联负反馈，故可以进一步提高电路的输入电阻，降低输出电阻， Ri=∞， Ro=0。 若 R1=∞或 Rf=0，则 uo=ui，此时电路构成电压跟随器，如图 所示。 图 电压跟随器 Fi011 RuuiRui fi  ，fii1F01 RuuRu ii i1F0 )1( uRRu （ 3）反相求和电路 反相求和电路如图 所示，图中有两个输入信号 ui ui2（实际应用中可以根据需要增减输入信号的数量），分别经电阻 R R2 加在反相输入端；为使运放工作在线性区， Rf引入深度电压并联负反馈； R′为平衡电阻， R′ = Rf∥ R1∥ R2。 图 反相求和电路 反相电路存在 “虚地 ”现象，因此 ： u= u+= “地 ” 可得： 因为 ： 将各电流代入 ： 整理上式可得 ： 如果取各输入电阻 ： 则 ： 实现了反相求和运算。 2i221i11 RuiRui  ，F0 Ruif fiii  21F022i11i RuRuRu )( 22i11iF0 RuRuRu FRRR  21)( 2i1i0 uuu （ 4）同相求和电路 为实现同相求和，可以将各输入电压加在运放的同相输入端，为使运放工作在线性状态，电阻支路 Rf引入深度电压串联负反馈，如图 所示。 图 同相求和电路 根据 “虚 断 ”可得： 由 “虚短 ”可得 ： 再根据同相比例输入电路 ： 可得 ： 根据对称性要求 ： 因此 ： 若 ： 则实现同相求和运算 ： 43i32i21i1 RuRuRuRu )( 3i32i21i14 RuRuRuRuu  iuRRu )1( 1F0 )()1( 3i32i21i14Fo RuRuRuRRRu )()( 3i32i21i1F3i32i21i1FFFo RuRuRuRRuRuRuRR RRR RRu 4FN // RRRR F321 RRRR 3i2i1i0 uuuu （ 5）积分电路 积分电路可以完成对输入信号的积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。 这里介绍常用的反相积分电路，如图 所示。 电容 C 引入电压并联负反馈，运放工作在线性区。 图 反相积分电路基本形式 积分电路也存在 “虚地 ”现象， 可知 ： 因为 所以 ： 将 i1 代入 u0 表达式得 ： 电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的积分。 式中的比例常数 RC 称为电路的时间常数。 图 基本积分电路的积分波形  dtiCuu cC 10 1cii 1RuidtiCu i1110 1   ，其中 dtuRCu i10 1（ 6）微分电路 微分是积分的逆运算，微分电路的输出电压是输入电压的微分，电路如图 所示。 图中 R 引入电压并联负反馈使运放工作在线性区。 图 基本微分电路 微分电路属于反相输入电路，因此同样存在 “虚地 ”现象， 因为 又有 ： 所以 ： 电路实现了输出电压正比于输入电压对时间的微分。 式中的比例常数 RC 称为电路的时间常数 图 微分电路信号波形 dtduCdtduCi c i1C1 RudtduCii Rc 0i1 dtduCRu i0  课题 项目四 信号产生电路设计与制作 任务二 三角波、方波发生器设计与制作 任务 分解 方波发生器的制作与调试 三角波发生器的制作与调试 授 课 方 式 讲 授 操作演示 仿真演示 研究学习 学生操作 师生互动 √ √ √ √ √ 能力目标 会用集成运放设计方波发生器； 会用集成运放设计三角波、锯齿波发生器； 会用示波器观察信号及掌握信号频率调整方法。 知识目标 掌握集成运放的非线性典型应用电路 ； 掌握方波发生器电路组成和工作过程 ； 掌握三角波、锯齿波发生电路的组成以及工作原理。 情感目标 增强专业意识，培养良好的职业道德和职业习惯； 激发学生的学习动机； 提高学生分析问题、解决问题的能力。 重 点 集成运放设计方波、三角波、锯齿波发生器 难 点 集成运放的非线性典型应用电路 选 学 情境设计 电子技术项目教学室，两名学生为一组。 每组模电试。