用运放设计函数发生器.ppt

运算放大器的应用函数发生器的设计 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 学习要求 第一部分运算放大器的应用 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 741的内部结构 T1 T3与T2 T4组成差动输入级电路 T5 T6 T7组成差动放大器的恒流源电路 T8 T9组成差动放大器的有源负载电路 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 T12与T13构成恒流源电路作为T15的集电极负载 T16与T17组成互补对称推挽输出电路 T18组成推挽电路的静态偏置电路并消除交越失真 T19与T20起过流保护作用 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 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 二 运放的主要性能参数的测试方法 运放的直流参数 运放的交流参数 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 增益带宽积AV BW 转换速率 摆动率 SR 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 VIO R1 R1 RF VO VIO一般为 1 20 mV 其值越小越好 测试方法 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 IIO一般为1nA 10nA 其值越小越好 测试方法 IIO V3 R3 V2 R1 IB IB 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 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 测试方法 R1 R2 AVD VO Vi VO Vi Vi Vi VO Vi R2 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 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 测试方法 KCMR 20lg AVD AVC dB AVD RF R1AVC Vo Vi 运算放大器的应用 AV BW 常数 测试方法 表2 2 1增益带宽积测量值 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 增益带宽积AV BW Vi 100mV 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 增高频率直到AV 0 707AV 1KHz 时所对应的频率就是运放的带宽BW 运算放大器的应用 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 测试电路中 Vi为10KHz的方波 其峰 峰值为5V SR V t 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 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 AV RF 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 运算放大器的应用 2 同相放大器 其闭环电压增益 AVF 1 RF R1 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 ric为运放本身同相端对地的共模输入电阻 一般为108 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 运算放大器的应用 4 加 减 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 负号表示反相加法器 运算放大器的应用 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 运算放大器的应用 5 微分器 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 式中 RFC为微分时间常数 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 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 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 运算放大器的应用 6 积分器 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 式中 R1C为积分时间常数 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 t 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 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 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 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 调节电位器Rp可改变频率 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 运算放大器的应用 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 AVF 1 RF R2 交流放大器的输入电阻Ri R1 R1一般取几十千欧 C1 C3 3 10 1 2 RLfL 反馈支路的隔直电容C2一般取几微法 电容C1 C2及C3为隔直电容 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 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 因为放大器的电压放大倍数AvF 1 RF R2 故 运算放大器的应用 反馈电压 交流信号自同相端B点输入 输出信号经RF反馈至A点 有VA VB 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 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 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 实验任务 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 运算放大器的应用 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 1 方波 三角波产生电路 电路图如图3 4 2所示 比较器 积分器 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 运放A1与R1 R2 R3 RP1组成电压比较器 Via 0 若Vo1 Vee 则 比较器的上门限电位为 Via R2 R3 RP1 Vee R2 R3 RP1 Vcc 设V01 Vcc 则 R2 R3 RP1 Vcc R2 R3 RP1 R2 R3 RP1 整理上式 得比较器的下门限电位为 R2 R3 RP1 Vcc R3 RP1 R2 Vcc Via V RP1指电位器的调整值 以下同 比较器的门限宽度VH为 VH Via Via 2 R2 R3 RP1 Vcc 由上面公式可得比较器的电压传输特性 如图3 4 3所示 图3 4 3比较器电压传输特性 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 比较器的传输特性 Vo2 Vcc R4 RP2 C2 t Vcc R4 RP2 C2 t 当Vo1 Vee时 Vo2 Vee R4 RP2 C2 t Vcc R4 RP2 C2 t 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 Vo2 1 R4 RP2 C2 当Vo1 Vcc时 Vo1dt 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 图3 4 4方波 三角波 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 三角波的幅度为 Vo2m 方波的幅度略小于 Vcc和 Vee 方波 三角波的幅度和频率 1 R4 RP1 C2 T4 0 Vo1dt 1 R4 RP1 C2 T4 实际上 三角波的幅度也就是比较器的门限电压Via Vo2m Via R2R3 RP1 Vcc Vcc R4 RP1 C2 T4 Vo2m Vcc 方波 三角波的波频率为 R3 RP14R2 R4 RP2 C2 R2R3 RP1 将上面两式整理可得三角波的周期T 而F 1 T 三角波的幅度为 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 二 单片集成电路函数发生器ICL8038 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 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 触发器FF的输出端Q控制外接定时电容的充 放电 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 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 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 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 8ICL8038组成的音频函数发生器 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 四 设计举例 1 确定电路形式及元器件型号 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 正弦波Vp p 1V 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 波形特性方波tr 1 s 1kHz 最大输出时 三角波 2 正弦波 5 三角波 方波 正弦波函数发生器实验电路 图3 4 9三角波 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 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 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 R2 Vcc R3 RP1 Vo2m 4 12 1 3 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 R4 RP2 R3 RP14R2C2 三角波 正弦波电路的参数选择原则是 隔直电容C3 C4 C