集成运算放大器的线性应用优化：实验四

【实验目的】

(1)了解集成运算放大器的性能、特点和使用方法。

(2)掌握运算放大器线性应用电路的设计及测试方法。

【设计任务】

1.反相放大器设计

给定条件:

◆运放选用μA741;

◆待放大正弦交流信号峰峰值范围为20～30 m V,频率范围为0 Hz～100 k Hz,无直流偏移。

指标要求:

◆输出信号幅度尽可能大且无非线性失真;

◆在输入信号的整个幅度范围和频率范围内电路增益稳定。

步骤提示:

(1)根据供电条件和输入信号特点确定电源形式。

(2)根据输入信号频率范围确定电路的带宽。

(3)根据带宽和运放增益带宽积确定电路的放大倍数。

(4)由放大倍数和输入信号幅度范围推测电路的最大输出电压。

(5)由最大输出电压值确定电路的电源电压。

(6)最后计算和选择电路中的元件值。

2.反相加法器设计

给定条件:

◆运放选用μA741;

◆待相加信号Vi1为0～3 V的直流信号;vi2为频率1～10 k Hz、峰峰值2～5 V、无直流偏移的正弦交流信号。

指标要求:

◆能够实现vo=-(2Vi1+vi2)的运算;

◆设计一个分压电路以获得符合要求的Vi1。

(提示:分压支路的电流应远大于电路的输入电流)

3.积分运算电路设计

给定条件:

◆运放选用μA741;

◆待积分信号为频率1 k Hz、峰峰值范围3～6 V、无直流偏移的方波信号。

指标要求:

◆将待积分方波进行积分得到三角波积分输出;

◆输出三角波线性良好、无畸变;

◆输出三角波和输入方波的峰峰值满足关系。

4.移相电路设计

给定条件:

◆运放选用μA741;

◆待移相信号为频率500 Hz、峰峰值2 V的正弦信号。

指标要求:

◆uo相位落后于ui 90°;

◆uo与ui幅度相等。

【测试任务】

1.反相放大器的调测

(1)根据设计任务中给出的输入信号频率和幅度范围,选择适当的输入信号。

(2)测量电路的电压放大倍数,验证电路达到设计要求,否则调整电路直至达标。

(3)在坐标纸上定量画出符合要求的输入输出波形。

(4)在原达标电路的基础上逐渐增加输入信号的幅度,直至输出波形开始出现限幅,读出限幅波形的峰峰值,分析限幅的原因。

(5)保持(4)中输入信号的幅度不变,逐渐增加输入信号的频率,观察输出波形的变化情况,直至输出波形完全变成三角波,分析这一过程的原因。

根据以上测量过程总结运算放大器在实际应用中应该注意哪些方面的限制。

2.反相加法器的调测

(1)根据设计任务中给出的输入信号频率和幅度范围,选择适当的输入信号。

(2)测量电路的输入、输出波形,分析输入、输出关系,验证电路达到设计要求,否则调整电路直至达标。

(3)在坐标纸上定量画出符合要求的输入、输出波形。

3.积分运算电路的调测

(1)根据设计任务中给出的输入信号频率和幅度范围,选择适当的输入信号。

(2)测量电路的输入、输出波形,分析输入、输出关系,验证电路符合设计要求,否则调整电路直至合格。

(3)在同一坐标系中定量画出符合要求的输入输出波形。

(4)选择适当频率和幅度的正弦输入信号,验证积分运算电路的移相功能。

(5)观察输入和输出波形的相位关系,分析相移与频率和电路参数之间的关系。

4.移相电路的测试

(1)选择频率为500 Hz、幅度适当的正弦信号作为输入,观察输入和输出波形的幅度和相位关系。

(2)改变输入信号的频率,观察输入、输出相位差的变化。

【实验预习】

(1)查阅运算放大器μA741的数据手册,了解运算放大器相关参数的意义和对实际应用的影响。

(2)阅读本实验【相关知识】,掌握集成运放线性应用电路设计原理和方法以及运放使用注意事项。

(3)设计相关电路,列出详细设计过程,画出完整详细的电路图,并对电路进行仿真和分析。

(4)复习电路相关性能指标的测试方法和操作要点,拟定详细的操作步骤,设计相关数据表格并准备数据纸,列出实验注意事项。

(5)在面包板上正确搭接实验电路。

(6)预习思考题:

①μA741的增益带宽积GBP是多少?它对运放的应用有何意义?

②μA741的压摆率SR是多少?它对运放的应用有何意义?

③如果在反相加法器的测试中用示波器观察输入、输出波形,发现输出波形的交流分量正常,而直流分量为零,可能的原因有哪些?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

◆思考题:

①测试中各个电路都不要求对运放进行调零,是否有几个电路应该调零?根据运放调零的相关知识,设计详细的调零操作步骤。

②如果积分电路可以选择其他运放,可以换成哪类运放?为什么?

【相关知识】

1.理想集成运算放大器的特点

集成运算放大器是一种高增益的直接耦合多级放大电路,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入电路和反馈电路时,可以灵活地实现各种特定的功能。当引入了深度负反馈时,运放电路稳定工作在线性区,称为运放的线性应用。

在线性应用方面,运放可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路,这些运算电路是构成复杂运算的基础,也是其他各种应用的基本单元。

在大多数情况下,为便于理论分析将运放的各项技术指标理想化,满足下列条件的运算放大器称为理想运算放大器:

◆开环电压增益无穷大;

◆输入阻抗无穷大;

◆输出阻抗为零;

◆带宽无穷大;

◆输入失调与漂移均为零。

理想运放在线性应用时有两个重要特性,即“虚短”和“虚断”。

(1)“虚短”

运算放大器的输出电压uo与两个输入端的输入电压u+和u-之间满足如下关系式:

由于Aud=∞而uo为有限值,因此须有u+-u-≈0才能使关系式成立,即u+≈u-。运放的同相输入端和反相输入端的电压相等,好像两个端子之间短路,称为“虚短”。

(2)“虚断”

由于ri=∞,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即Iib=0,好像两个端子断路,称为“虚断”。“虚断”说明运放输入阻抗极大,从其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析运放线性应用电路的基本原则,可简化电路的计算。

2.集成运算放大器的主要参数

实际的集成运算放大器并非理想,其各项参数都与理想值有相当的差距,了解这些参数的意义和对实际应用的影响,可以更好地使用集成运算放大器。

(1)输入失调电压VIO(Input Offset Voltage)

输入失调电压的定义是集成运放输出端电压为零时,两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电压越小。

输入失调电压是运放的一个十分重要的指标,特别是对于精密运放和直流放大电路。

(2)输入偏置电流IIB(Input Bias Current)

输入偏置电流是指运算放大器内部第一级放大电路输入晶体管的基极直流电流。这个电流保证放大器工作在线性范围,为放大器提供直流工作点。

输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时,其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等有较大的影响,会引起积分电路输出信号的“爬行”现象。

(3)输入失调电流IIO(Input Offset Current)

输入失调电流是指运放的两个差分输入端偏置电流的误差。输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时,其两输入端偏置电流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部电路的对称性,对称性越好,输入失调电流越小。

输入失调电流是运放的一个十分重要的指标,特别是精密运放或直流放大电路。输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响,特别是运放外部采用较大的电阻(例如,10 kΩ或更大)时,输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小,直流放大时中间零点偏移越小。

(4)开环电压增益AVOL(Open-loop Gain)

在无负反馈情况下(开环状态下),运算放大器的放大倍数称为开环增益,记作AVOL。有的运放数据手册上写成large signal voltage gain。AVOL的理想值为无限大,一般约为数千倍至数万倍,其表示法有dB或V/m V为单位两种形式。

(5)输出电压摆幅±VOPP(Output Voltage Swing)

当运放工作于线性区时,在指定的负载下,运放在当前电源电压供电时,运放能够输出的最大电压范围。

(6)输入电压范围

①差模输入电压范围Vid(Differential Input Voltage)

差模输入电压范围为运放两输入端允许加的最大输入电压差。当运放两个输入端加的输入电压差超过差模输入电压范围时,可能造成运放输入级的损坏。

②共模输入电压范围Vicm(Input Common Mode Voltage Range)

共模输入电压范围就是当运放工作于线性区时,共模抑制比下降6 dB时所对应的共模输入电压值,也可以称为最大共模输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的共模输入电压范围。在有干扰的情况下,在电路设计中应注意这个参数的限制。

(7)共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)

共模抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放差模增益与共模增益的比值,是运放一个极为重要的指标。由于数值较大,所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80～120 dB之间。

(8)静态功耗PD(Total Power Dissipation)

运放在给定电源电压下的静态功率,通常是无负载状态下。(www.xing528.com)

(9)摆率SR(Slew Rate)

摆率又称压摆率、转换速率,定义为运放接成闭环条件下,将大信号或阶跃信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得运放的输出电压上升速率。摆率是运放用于大信号处理时一个很重要的指标。一般运放摆率SR≤10 V/μs,高速运放的转换速率SR>10 V/μs,目前的高速运放最高转换速率SR达到6 000 V/μs。

(10)增益带宽

①增益带宽积GBP(Gain Bandwidth Product)

运算放大器带宽与增益的积。

②单位增益带宽GB(Unity Gain Bandwidth)

运算放大器放大倍数为1时的带宽,又称0 dB带宽。

单位增益带宽GB和带宽增益积GBP这两个概念有些相似但不同。对电压反馈型运放来说,带宽增益积是一个常数。而对于电流反馈型运放,带宽和增益不是一个线性的关系。

以上只是列举运算放大器几个主要参数,若要了解更详细的有关运放的技术参数,可查阅运算放大器产品的数据手册。

3.不同性能的集成运算放大器

运算放大器种类型号繁多,不同的运放性能不同,适用范围也不同。根据性能的差别,运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放等类型。另外,还有一些特殊运放,如程控运放、电流运放、电压跟随器等。

通用运放以通用为目的而设计,主要特点是价格低廉,产品量大,适用面广,其性能指标能适合于一般性使用。例如,常见的μA741、LM358、LM353、LM324等都属于通用运放,是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

低功耗运放一般指静态功耗低于1 m W的运放。低功耗运放在低电压下保持良好的电气性能,可用于对功耗有限制的场所,如手持设备。

精密运放是指漂移和噪声非常低、增益和共模抑制比非常高的集成运放,也称为低漂移运放或低噪声运放。精密运放主要用于对放大处理精度要求高的地方,如自控仪表等。

高输入阻抗运放的输入阻抗一般大于109Ω,因其输入阻抗高附带其电压转换速率也比较高。高输入阻抗运放用途十分广泛,如采样保持电路、积分器、对数放大器、测量放大器、带通滤波器等。

高速运放的电压转换速率一般在100 V/μs以上,用于高速AD/DA转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘法器、精密比较器、视频电路。

宽带运放是指-3 d B带宽(BW)比通用运放宽得多的集成运放。很多高速运放都具有较宽的带宽,也可以称为高速宽带运放。这个分类是相对的,同一个运放在不同使用条件下的分类可能有所不同。宽带运放主要用于处理输入宽频带信号的电路。

高压运放是为了解决高输出电压或高输出功率的要求而设计的。在设计中主要解决电路的耐压、动态范围和功耗的问题。实际使用中,也可以用通用运放加晶体管或MOS管来代替高压运放以节约成本。

上述分类并不绝对,随着技术的进步分类的界限一直在变化。另外有一些运放同时具有两种或更多种不同的优异性能,就可能同时归入多个类别中。

4.集成运算放大器的选择和使用

(1)集成运放的选择

集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。在由运算放大器组成的各种电路和系统中,由于应用要求不同,对运算放大器的性能要求也有差别。选择运放的原则是在满足所需电气特性的前提下,尽可能选择性能价格比高、通用性强的元器件。

①初步选定运放类别

在没有特殊要求的应用场合,尽量选用通用集成运放,这样既可降低成本,又容易保证货源。对于放大音频、视频等交流信号的电路,应选转换速率比较高的运放;对于处理微弱的直流信号的电路,应选用输入失调电流、输入失调电压及温漂均比较小的高精度运放。不过在选用运放时适用即可,因为运放的性能参数之间常相互制约,盲目选用高档的运放不但无谓地提高了电路成本,也不一定能保证电路系统的高质量。

②明确供电方式和电源电压作为进一步选择运放型号的依据

集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,既可以对称双电源供电,也可以单电源供电,设计电路时可以根据整个电路系统的供电情况灵活选用。但运放的两种供电方式对输入信号的要求是不同的,因此还需考虑电路的输入信号类型与供电方式的适应性。

◆对称双电源供电

运算放大器应用电路多采用这种方式供电,相对于公共地端对称的正负电源分别接于运放的+VCC和-VEE端子。在这种方式下,电路的输入信号和输出信号采用直接耦合,输入信号既可以是直流,也可以是交流,而输出电压的振幅可达到或接近正负对称的电源电压。

◆单电源供电

将运放的+VCC端子接正电源,-VEE端子接地,为了保证运放内部电路具有合适的静态工作点,应加入直流偏置电路将运放的其中一个输入端的直流电位偏置在供电电压的二分之一。输入信号用电容耦合方式输入另一个输入端,则运放的输出端的电压将在二分之一供电电压的基础上随输入信号变化规律而变化,因此在运放输出端也使用耦合电容将其直流量隔离,则在耦合电容后就可得到电路的输出信号,输出信号为交流信号。

◆运放的电源电压

不同的运放或同一运放在不同的供电形式下,电源电压的范围各不相同,决定了电路输出电压的范围各不相同。因此在选择供电方式时,还应根据输出信号的最大电压值,选择适当的电源电压值。一般运放在中频段,电路所能输出的最大输出电压幅度会比电源电压小1 V左右。例如,电源电压为±15 V时,输出电压最大值为±14 V左右。而轨对轨运放的最大输出电压幅度几乎与电源电压相等。

因此,电路设计时应根据输出电压的最大值设定运放的电源电压值,根据电源电压的取值通过查阅运放的数据手册选定适当的运放。

实际应用中选择运放型号时还需考虑其他因素。例如,前级电路和负载的性质、运放输出电压和电流的是否满足要求以及环境温度条件、功耗、封装与体积等因素。运放型号的选择是一个综合考虑、反复平衡的过程。当确定在一个系统中使用多个相同类型的运放时,可以选用多运放集成电路,如LM358(双运放)、LM324(四运放)等,以节约成本并减小电路体积。

(2)集成运放的调零

集成运算放大电路在放大含有直流成分的信号时,有时需要进行调零,即对运放的输入失调进行补偿,以保证运放闭环工作时,输入为零时输出也为零。

新型的运放产品对称性好,输入失调小,没有调零端,在深负反馈(放大倍数不高)的情况下,可以靠深负反馈抑制零点的漂移,可以不调零。通用运放引入深度负反馈,在要求不高的情况下,也可以不调零。还有一些运放(如斩波自稳零运放)是不需要调零的。

有调零补偿端的运放,如LM318、μA741等型号的运放,只需按照器件手册给出的调零电路和方法进行调零即可。

无调零端的运放如需要调零,可参考图8.4.1和图8.4.2的调零电路形式进行连接和调零。

图8.4.1　反相放大器调零电路

图8.4.2　同相放大器调零电路

(3)集成运放的使用保护

①输入端的保护

图8.4.3在输入端接入反向并联的二极管,这样就可以保证输入信号电压过高时,运放的输入电压被限制在二极管的正向导通压降以下,不至于因输入过高而损坏运放的输入级。

②输出端的保护

如图8.4.4所示,电路正常工作时,输出电压值小于双稳压管稳压值,稳压管不会被击穿,双稳压管支路相当于断路,对运放工作无影响。当某些非正常原因引起输出电压值大于双稳压管稳压值时,其中一只稳压管被反向击穿而另一只稳压管正向导通,则输出电压被限制在稳压管的导通值,从而保护了运放不至于输出过大而损坏。

图8.4.3　输入限幅保护

图8.4.4　输出限幅保护

③电源保护

为了防止运放正、负电源极性接错而损坏运算放大器,可将两只二极管分别串接在运放的正、负电源电路中,如图8.4.5所示。如果电源极性接错正接负或负接正,则二极管不导通,错的电源电压不能加到运放的电源管脚,从而保护了运放。

图8.4.5　电源极性保护

5.集成运算放大器的线性应用(以对称双电源供电电路为例)

(1)反相比例运算电路

反相比例运算电路又称反相放大器,电路如图8.4.6所示。对于理想运放,该电路的输出电压uo与输入电压ui的关系为:

因此图8.4.6所示电路电压放大倍数为:

为了减小运放输入级偏置电流引起的误差,在运放同相输入端应接入平衡电阻Rp,Rp的取值为:

(2)反相加法器

反相加法器电路如图8.4.7所示,其输出电压uo与输入电压ui的关系为:

同相输入端的平衡电阻RP的取值为:

图8.4.6　反相比例运算电路

图8.4.7　反相加法器

(3)同相比例运算电路和电压跟随器

同相比例运算电路即同相放大器,电路如图8.4.8所示。其输出电压uo与输入电压ui的关系为:

因此图8.4.8所示电路的电压放大倍数为:

同相端的输入电阻R2的取值为:

当同相比例运算电路中的电阻R1无穷大,即R1开路时,即得到如图8.4.9所示电路,该电路具有完全电压负反馈。从式(8.4.8)可以得出此时uo=ui,即输出电压跟随输入电压,所以图8.4.9被称为电压跟随器。图中R2=Rf,一般取10 kΩ左右。Rf用于抵消运放输入偏置电流的影响,使运放的工作更对称。

图8.4.8　同相比例运算电路

图8.4.9　电压跟随器

(4)减法器(差分放大器)

图8.4.10所示的减法器电路,输出uo为:

当R2=R1,R3=Rf时,有如下关系式:

(5)反相积分器

反相积分电路如图8.4.11所示。在理想化条件下,输出电压uo为:

其中,uc(0)是t=0时刻电容Cf两端的电压值,即初始值。

图8.4.10　减法器电路

图8.4.11　反相积分器

如果ui(t)是幅值为E的阶跃电压,且初始值uc(0)=0,则有:

即输出电压uo(t)随时间的推移而线性下降,并且R1Cf的数值越大,达到给定的uo值所需的时间就越长。积分输出电压所能达到的最大值,将受到运放最大输出电压范围的限制。

如果ui(t)是周期为T,峰峰值为uipp的方波信号,在不受到运放动态范围限制的情况下,输出uo(t)将是与ui(t)的周期相同的三角波,其幅度满足以下关系:

图8.4.11所示反相积分器的电路中,反馈电阻Rf的作用是克服运放输入端的失调电流和偏置电流引起的输出“爬行”现象。Rf取值需根据电路的参数而定,取值过大则负反馈不够,不能完全消除“爬行”现象引起的输出限幅问题;过小则负反馈过强,使输出信号的线性变差。

(6)90°移相电路

图8.4.11所示反相积分器电路中,如果输入信号ui为正弦信号,则有:

uo为余弦信号,与正弦信号相位相差90°。所以图8.4.11所示反相积分电路可以用作移相电路,实现对正弦信号ui的90°移相,uo超前ui。

另外一种移相电路可以实现uo落后ui90°的移相,如图8.4.12所示。

图8.4.12所示电路也是一个一阶全通滤波电路。其传递函数为:

图8.4.12　一阶移相电路

其幅频特性和相频特性分别为:

可以看出,当时,移相为-90°,uo落后ui,同时uo幅度与ui相等。

6.运放线性应用电路中电阻的选取

以上运放线性应用电路的设计和确定,可以根据电路指标要求,通过相关公式得到电路中各个电阻的比值关系。但确定各个电阻的具体阻值,则应结合电路的工作状态和具体的运放型号,进行合理选取。

以运放的反馈电阻Rf为例,Rf的取值过大或过小都对电路有不好的影响。Rf取值大要求电路的信号输入端电阻也大,运放另一输入端的平衡电阻也大,则运放的输入失调电流的影响也会较大。同时输入信号的电流较小,杂散干扰也大。另外较大阻值的电阻与系统的分布电容组成的特征频率较低,容易引起电路的不稳定。如果Rf取值过小,则会从运放的输出端取得较大的电流,因此要求运放的电流输出能力更强。同时由于较小阻值的Rf上面的功耗会较大,可能会产生较大的温漂。

因此运放应用电路的电阻取值需要结合信号处理的要求,同时考虑器件性能的限制。例如,反馈电阻的最小取值受运放输出电流的限制,其最大反馈电流应小于运放的输出电流;而反馈电阻的最大电阻值受运放噪声和失调等条件限制。

通常反馈电阻Rf一般在10～100 kΩ范围取值,如有必要可根据电路的输出电压、输出电流和反馈电流的关系进行计算。