运算放大器的应用
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 运算放大器的应用     函数发生器的设计. 第 一部分 运算放大器的应用. 学习要求 :. 掌握运算放大器的主要直流参数与交流参数的测试方法; 正确运用调零技术、相位补偿技术及保护电路; 掌握运算放大器的基本实验电路及其工作原理。. 一、集成运算放大器的内部结构. 差动输入级. 中间放大级 . 输出级. 偏置电路. T18 组成推挽电路的静态偏置电路并消除交越失真. T1,T3 与 T2,T4 组成 差动输入级电路. T16 与 T17 组成互补对称推挽输出电路. 741 的内部结构:. T12 与 T13 构成恒流源电路作为 T15 的集电极负载.

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 运算放大器的应用    函数发生器的设计


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第一部分运算放大器的应用

学习要求:

  • 掌握运算放大器的主要直流参数与交流参数的测试方法;

  • 正确运用调零技术、相位补偿技术及保护电路;

  • 掌握运算放大器的基本实验电路及其工作原理。


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一、集成运算放大器的内部结构

差动输入级

中间放大级 

输出级

偏置电路


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T18组成推挽电路的静态偏置电路并消除交越失真

T1,T3与T2,T4组成

差动输入级电路

T16与T17组成互补对称推挽输出电路

741的内部结构:

T12与T13构成恒流源电路作为T15的集电极负载

T8,T9组成差动放大器的有源负载电路

T19与T20起过流保护作用

T14与T15组成中间电压放大级,其中T14接成射极跟随器,T15是电压放大器

T5,T6,T7组成差动

放大器的恒流源电路


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粗测运放好坏

  • 正负电源端与其它各引脚之间是否短路。若无短路则正确。

  • 电路中主要晶体管的PN结电阻值是否正确。应该正向电阻小, 反向电阻大。

测试时注意,不用小电阻档(如“×1”档),以免测试电流过大:也不要用大电阻档(如“×10K”档),以免电压过高损坏运放。

测量结果如下表:


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+Vcc

7

3

+

6

Vo

-

2

4

-Vee

UA741

如果测得阻值与表中值相差太多,说明运放的差动输入级或者推挽输出管有损坏。


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二、运放的主要性能参数的测试方法

运放的直流参数:

输入失调电压VIO

输入失调电流IIO

差模开环直流电压增益AVD

共模抑制比KCMR

运放的交流参数:

增益带宽积AV•BW

转换速率(摆动率)SR


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运算放大器的应用

输入失调电压VIO

当运放的两输入端加相同的电压或直接接地时为使输出直流电压为零,在两输入端间加有补偿直流电压VIO,该VIO称为输入失调电压。

测试方法:

R1

VIO=

VO

R1+RF

VIO一般为(1‾20)mV,

其值越小越好。


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运算放大器的应用

输入失调电流IIO

当运放的输出电压为零时,将两输入端偏置电流的差称为输入失调电流。即 IIO=IB+-IB-,其中IB+为同相输入端基极电流,IB-为反相输入端基极电流。

测试方法:

V3

V2

IB+

IB-

IIO

-

R3

R1

IIO一般为 1nA‾10nA,其值

越小越好。


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运算放大器的应用

差模开环直流电压增益AVD

当运放没有反馈时的直流差模电压增益。

测试方法:

VO

VO

VO

Vi

R1+R2

AVD =

*

*

Vi’

Vi

Vi’

Vi

R2

选择电阻(R1+R2 )>>R3。

测量时,交流信号源的

输出频率尽量选低

(小于100Hz),Vi幅度

不能太大,一般取几十

毫伏。增益通常用DB(分贝)表示,即20LgAVD。


K cmr

运算放大器的应用

共模抑制比KCMR

将运放的差模电压放大倍数AVD与共模电压放大倍数AVC之比称为共模抑制比,单位dB。

测试方法:

AVD

KCMR = 20lg

dB

AVC

AVD=RF/R1 AVC=Vo/Vi

其中Vi=1V(有效值)、频率为100Hz的正弦波。 KCMR愈大,表示放大器对共模信号(温度漂移、零点漂移等)的抑制能力愈强。


A v bw

运算放大器的应用

Vi=100mV

增益带宽积 AVBW

AVBW=常数

测试方法:

运放的带宽BW通常等于截止频率fc,将放大倍数等于1时的带宽称为单位增益带宽

增高频率直到AV=0.707 AV(1KHz)时所对应的频率就是运放的带宽BW

实验结果表明:增益增加时,带宽减小,但增益带宽积不变(可能存在测量误差)。因此,在给定电压增益下,运放的最高工作频率受到增益带宽积的限制,应用时要特别注意这一点。

表2.2.1 增益带宽积测量值


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运算放大器的应用

t为输出电压vo从最小值上升到最大值所需的时间

转换速率(摆动率)SR

运放在大幅度阶跃信号作用下,输出信号所能达到的最大变化率,其单位为V/us。

测试方法:

SR=△V/ △ t

转换速度越高,说明运放对输入信号的瞬时变化响应越好。影响运放转换速率的主要因素是运放的高频特性和相位补偿电容。

测试电路中,Vi为10KHz的方波,其峰-峰值为5V。


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运算放大器的应用

三、集成运算放大器的基本应用

1、反相放大器

其闭环电压增益:

RF

AV=-

R1

输入电阻Ri=R1

输出电阻Ro0

平衡电阻Rp=R1//RF

其中,反馈电阻RF值不能太大,否则会产生较大的噪声及漂移,一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源vi的内阻。

若RF= R1,则为倒相器,可作为信号的极性转换电路。


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运算放大器的应用

同相放大器具有输入阻抗非常高,输出阻抗很低的特点,广泛用于前置放大级。

与晶体管电压跟随器(射极输出器)相比,集成运放的电压跟随器的输入阻抗更高,几乎不从信号源吸取电流;输出阻抗更小,可视作电压源,是较理想的阻抗变换器。

2、同相放大器

其闭环电压增益:

RF

AVF=1+

R1

ric为运放本身同相端对地的共模输入电阻,一般为108。

输入电阻Ri = ric

输出电阻Ro0

平衡电阻Rp=R1//RF

若RF0,R1= (开路),则为电压跟随器。


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RF

RF

VO=-

V2)

V1+

R1

R2

运算放大器的应用

4、加(减)法器

负号表示反相加法器

若取R1= R2= RF,并使其中一个输入信号v1经过一级反相放大器,则加法器可以变为减法器,其输出电压为Vo= –(V2–V1)。


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运算放大器的应用

RF

RF

RF

V1+V2)

VO=-

V2)=-

V1+

R1

R2

R1

=-10(V1+V2)

上图所示电路为卡拉OK伴唱机的混合前置放大器电路。其中,A1为射极跟随器,实现阻抗变换与隔离,A2为基本的加法器,输出电压:


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dvi

VO=-RFC

dt

1

fo=

2πRsC

RF

AVF=

Rs

运算放大器的应用

由于电容C的容抗随输入信号的频率升高而减小, 结果是输出电压随频率升高而增加。

5、微分器

式中,RFC为微分时间常数。

为限制电路的高频电压增益,在输入端与电容C之间接入一小电阻Rs, 当输入频率低于

时, 电路起微分作用;若输入频率远高于上式, 则电路近似一个反相器,高频电压增益为


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运算放大器的应用

实际的微分器电路如下图(a)所示。若输入电压为一对称三角波,则输出电压为一对称方波,其波形关系如图(b)所示。

(a)

(b)


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1

VO=-

Vidt

R1C

0

1

fo=-

2πRFC

RF

AVF=-

R1

运算放大器的应用

由于电容C的容抗随输入信号的频率降低而增加, 结果是输出电压随频率降低而增加。

6、积分器

t

式中,R1C为积分时间常数。

为限制电路的低频电压增益,可将反馈电容c与一电阻RF并联。当输入频率大于

时, 电路起积分作用;若输入频率远低于上式, 则电路近似一个反相器,低频电压增益为


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运算放大器的应用

实际的积分器电路如下图(a)所示。若输入电压为一对称方波,则输出电压为一对称三角波,其波形关系如图(b)所示。

(a)

(b)


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R1

V+=

Vo

R1+RF

1

1

fo=

T

R1

2RC·ln 1+2

RF

当电容C的端电压VC(等于运放的反相端电压V–)大于V+时,输出电压Vo=–VZ(双向稳压管DZ的限幅电压),则电容C经电阻R放电,VC下降。当VC下降到比V+小时,比较器的输出电压Vo=+VZ,电容C又经过电阻R充电,电容的端电压VC又开始上升,如此重复,则输出电压vo为周期性方波,如图所示。

运算放大器的应用

9、方波发生器

图中R1与RF组成正反馈支路,运放同相端电压

电阻R、电容C组成运放的负反馈支路。

调节电位器Rp可改变频率。


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运算放大器的应用

电容C1、C2及C3为隔直电容

11、自举式交流电压放大器

若只放大交流信号,则可

采用如右图所示的运放同相交

流电压放大器(或反相交流电

压放大器)。

电阻R1接地是为了保证输入为零时,放大器的输出直流电位为零

RF

AVF=1+

R2

交流放大器的输入电阻Ri = R1(R1一般取几十千欧。)

1

耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定,一般取

C1 = C3 = (3~10)

2RLfL

反馈支路的隔直电容C2一般取几微法。


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R2

R2

VA=

VB=

VO

VO

R2+RF

R2+RF

RF

VO =(1+

)Vi

R2

R2+RF

VB

R2

运算放大器的应用

交流信号自同相端B点输入,输出信号经RF反馈至A点

为提高交流放大器的输入阻抗,可以采用如图所示的自举式同相交流电压放大器。

反馈电压

因为放大器的电压放大倍数AvF=1+(RF / R2),故

有VA=VB


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运算放大器的应用

R1两端的电压相等,且相

位相同,故称R1为自举电阻。

流经R1的电流可视为零,从而

大大提高了交流放大器的输入

电阻。输入电阻

Ri = (R1 // ric)(1+ AVFF)

式中,F为反馈系数,F= R2 / (R2+ RF)。

对于图所示电路参数,输入电阻

Ri =(R1 // ric)(1+ AVFF)200k


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1

V+= VCC,即

2

R3

1

V+=

VCC=

VCC

2

R2+R3

1

V6 = V+ =

VCC

2

运算放大器的应用

12、单电源供电的交流电压放大器

右图为单电源供电的反相交流电压放大器。图中,电阻R2、R3称为偏置电阻,用来设置放大器的静态工作点。

所以取R2= R3

静态时

电容C1、C2为放大器的交流耦合隔直电容,因此,反向交流放大器的电压放大倍数AVF =RF / R1


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运算放大器的应用

右图为单电源供电的自举式同相交流电压放大器。该电路也能大大提高单电源供电的交流放大器的输入电阻。

运放交流电压放大器只放大交流信号,输出信号受运放本身的失调影响较小。因此,不需要调零。


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实验任务:

运算放大器的应用

实验与思考题

2.2.1 测试运放UA741的性能参数 Av· BW、 SR及 KCMR,并与其典型值相比较。


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第二部分函数发生器设计一、方波- 三角波函数发生器设计

函数发生器能自动产生

方波- 三角波-正弦波。

其电路组成框图如图3.4.1 所示.

图3.4.1 函数发生器组成框图


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C

2

v

V

o1

CC

R

V

V

1

CC

R

4

A

1

A

RP

v

2

2

o2

v

R

ia

2

V

EE

V

V

+

EE

R

a

5

R

RP

3

1

C

1

1、方波- 三角波产生电路

电路图如图3.4.2所示:

C1称为加速电容,可加速比较器的翻转

R1称为平衡电阻

运放的反相端接基准电压,即V–=0;

同相端接输入电压via;

比较器的输出vo1的高电平等于正电源电压+VCC,低电平等于负电源电压–VEE (+VCC=–VEE) 。

当输入端V+ =V- =0 时,比较器翻转,V01从+Vcc跳到-Vee,或从-Vee跳到+Vcc。

积分器

比较器

运放A1与R1、R2、R3、RP1组成电压比较器。


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设V01= +Vcc, 则

C

2

v

V

o1

CC

R

V

V

1

CC

R

4

A

1

A

RP

v

2

2

o2

v

R

ia

2

V

EE

V

V

+

EE

R

a

5

R

RP

3

1

C

1

(+Vcc)

R2

R3+RP1

V+ =

+

Via = 0

R2 +R3 +RP1

R2+R3+RP1

整理上式, 得比较器的下门限电位为

-R2

-R2

(Vcc)

Via-=

(+Vcc) =

R3+RP1

R3+RP1

若Vo1 = -Vee, 则

比较器的上门限电位为

-R2

R2

Via+ =

(-Vee) =

(Vcc)

R3+RP1

R3+RP1

RP1指电位器的调整值(以下同)


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•比较器的传输特性

比较器的门限宽度VH为

R2

VH = Via

Via-= 2

Vcc

+

R3+RP1

由上面公式可得比较器的电压

传输特性,如图3.4.3 所示。

从电压传输特性可见,当输

入电压Via从上门限电位Via+

下降到下门限电位Via-时,

输出电压Vo1由高电平+Vcc

突变到低电平-Vee。

图3.4.3 比较器电压传输特性


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C

2

v

V

o1

CC

R

V

V

1

CC

R

4

A

1

A

RP

v

2

2

o2

v

R

ia

2

V

EE

V

V

+

EE

R

a

5

R

RP

3

1

C

1

a点断开后,运算放大器A2与R4、

RP2、R5、C2组成反相积分器,

其输入信号为方波Vo1时,则积分

器的输出

- 1

(R4+RP2)C2

Vo1dt

Vo2 =

Vo2 =

当Vo1=+Vcc时,

- (+Vcc)

(R4+RP2)C2

-Vcc

(R4+RP2)C2

t =

t

当Vo1= -Vee时,

-(-Vee)

(R4+RP2)C2

Vcc

(R4+RP2)C2

Vo2 =

t =

t


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a点闭合,形成闭环电路,则自动产生方波-三角波,其波

形如图3.4.4 所示。

• 方波-三角波的工作过程:

当比较器的门限电压为Via+时

输出Vo1为高电平(+Vcc)。这时积分器开始反向积分,三角波

Vo2线性下降。

当Vo2下降到比较器的下门限电位Via-时,比较器翻转,输出Vo1由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分,Vo2线性增加。

如此反复,就可自动产生方波-三角波。

图3.4.4 方波—三角波


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• 方波-三角波的幅度和频率

方波的幅度略小于

+Vcc 和-Vee。

三角波的幅度为:

T

4

=

-1

(R4+RP1)C2

T

4

-1

(R4+RP1)C2

Vo2m =

Vo1 dt

·

0

实际上,三角波的幅度也就是比较器的门限电压Via+

T

4

R2

R3+RP1

-Vcc

(R4+RP1)C2

Vo2m = Via+ =

· Vcc =

·


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将上面两式整理可得三角波的周期T ,而F = 1 / T

R2

R3+RP1

三角波的幅度为:

Vo2m =

·

Vcc

R3+RP1

4R2 (R4+RP2) C2

方波-三角波的波频率为:

ƒ =

由此可见:

1、方波的幅度由+Vcc 和–Vee决定;

2、调节电位器RP1,可调节三角波的幅度,但会影响其频率;

3、调节电位器RP2,可调节方波-三角波的频率,但不会影

响其幅度,可用RP2实现频率微调,而用C2改变频率

范围。


Icl8038

二、单片集成电路函数发生器ICL8038

充、放电流IA、IB的大小由外接电阻决定,当IA= IB时,输出三角波,否则为锯齿波。I

两个比较器A1、A2的基准电压2VCC/3、VCC/3由内部电阻分压网络提供。

ICL8038的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间,它可以同时输出方波(或脉冲波)、三角波、正弦波。其内部组成如图3.4.7所示。

触发器FF的输出端Q控制外接定时电容的充、放电。

产生三角波—方波的工作原理与图3.4.2所示电路的工作原理基本相同。

ICL8038可以采用单电源(+10V~+30V)供电,也可以采用双电源(±5V~±15V)供电。


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由ICL8038组成的音频函数发生器如图3.4.8所示。电阻R1与电位器RP1用来确定⑧脚的直流电位V8,通常取V8≥2/3VCC。V8越高,IA、IB越小,输出频率越低,反之亦然。因此,ICL8038又称为压控振荡器(VCO)或频率调制器(FM)。RP1可调节的频率范围为20Hz~20kHz。

图3.4.8 ICL8038组成的音频函数发生器


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三、函数发生器的性能指标

• 输出波形正弦波、方波、三角波

•频率范围1Hz~10Hz , 10Hz~100Hz , 100~1KHz ,

1KHz~10KHz , 10KHz~100KHz , 100KHz~1MHz.

•输出电压一般指输出波形的峰-峰值,即Vp-p = 2Vm.

•波形特性表征正弦波特性的参数是非线性失真~,一般要求~<3%;表征三角波特性的参数是非线性系数△,

一般要求△<2%;表征方波特性的参数是上升时间

tr,一般要求tr<100ns(1kHz,最大输出时)。


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四、设计举例

例设计一方波-三角波-正弦波函数发生器。

•性能指示要求频 率范围1Hz~10Hz, 10Hz~100Hz;

输出电压 方波Vp-p≤24V,三角波Vp-p=8V,

(1)确定电路形式及元器件型号

正弦波Vp-p>1V。

波形特性方波tr<1s(1kHz,最大输出时)

三角波△<2%,正弦波~<5%

采用如图3.4.9所示电路,其中运算放大器A1与A2用一只双运放

A747,差分放大器采用本章第三节设计完成的晶体管单端输入— 单端输出差分放大器电路。因为方波的幅度接近电源

电压,所以取电源电压+VCC= +12V,–VEE= –12V。


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•三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路

此处引脚标号为uA747芯片的,而实验中用741芯片,引脚号不同,插板时一定要注意。

图3.4.9 三角波—方波—正弦波函数发生器实验电路


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(2)计算元件参数

比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下:

由式(3-4-8)得

=

=

R2

Vo2m

4

1

=

12

3

R3+RP1

Vcc

取R2=10k,取R3=20k, RP1=47k,平衡电阻R1= R2//(R3+RP1)10k

由输出频率的表达式(3-4-9)得

R3 + RP1

4 R2 C2ƒ

R4 + RP2 =

当1Hz≤f≤10Hz时,取C2=10F,R4=5.1k,RP2=100k;

当10Hz≤f≤100Hz时,取C2=1F,以实现频率波段的转

换;R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10k。


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三角波正弦波电路的参数选择原则是:隔直电容C3、C4、C5要取得较大,因为输出频率很低,取C3= C4= C5=470f,滤波电容C6的取值视输出的波形而定,若含高次谐波成分较多,则C6一般为几十皮法至0.1F。RE2=100与RP4=100相并联,以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线、调整RP4及电阻R*来确定。


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五、电路安装与调试技术1、方波-三角波发生器的装调

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波与

三角波,故这两个单元电路需同时安装。要注意的是,在安装电

位器RP1与RP2之前,先将其调整到设计值,否则电路可能会不起

振。如果电路接线正确,则在接通电源后,A1的输出vo1为方波

,A2的输出vo2为三角波,在低频点时,微调RP1,使三角波的输

出幅度满足设计指标要求,再调节RP2,则输出频率连续可变。


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3、误差分析

①方波输出电压Vp-p≤2VCC,是因为运放输出级由NPN型或

PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路,输出方波时,两

管轮流截止与饱和导通,由于导通时输出电阻的影响,使方波

输出幅度小于电源电压值。

②方波的上升时间tr,主要受运放转换速率的限制。如果输出

频率较高,则可接入加速电容C1(C1一般为几十皮法)。可用示

波器(或脉冲示波器)测量tr。


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六、设计任务:

设计课题:方波—三角波函数发生器设计

已知条件双运放A747一只(或mA741两只)

性能指标要求

频率范围100Hz~1kHz,1kHz~10kHz

输出电压方波Vp-p≤24V,三角波Vp-p=6V,

波形特性方波tr<30s(1kHz,最大输出时),三角波△<2%。

设计步骤与要求参考书。

实验仪器设备。


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