集成运算放大器测试电路的制作

1、2.1 项目描述项目描述2.2 知识链接知识链接2.3 项目实施操作指导项目实施操作指导2.4 项目任务总结项目任务总结 项目二项目二 集成运算放大器测试电路的制作与测试2.1项目描述项目描述 集成电路就是把组成电路的各种电子元器件和电路的连接线集中制作在一个很小的半导体硅片上，构成具有特定功能的电路，然后外部用管壳封装，通过引线和外电路连接。由于集成电路具有体积小、焊点少、可靠性高、调试简单等原因，它在现代电子技术中得到了广泛的应用。 本项目就是通过制作一个集成音频放大电路，来熟悉集成电路的特点，掌握集成运算放大电路的应用。2.1.1任务目标任务目标序号序号类别类别目标目标一知识点1.集成电

2、路的特点及应用2.集成运算放大器的基本结构、电路符号及主要性能指标3.集成运算放大器的理想特性4.集成运算放大器的线性应用条件及典型应用电路的分析方法5.集成运算放大器的非线性应用等二技能1.集成运算放大器资料查阅、识别与选取方法2.应用集成运算放大器构成集成音频放大电路3.集成音频放大电路的安装、调试与检修4.万用表、电子电压表、示波器的使用三职业素养1.沟通能力及团队协作精神2.良好的职业道德3.质量、成本、安全、环保意识主要任务：熟悉电路各元器件的作用； 进行电路元器件安装； 整机调试； 撰写电路制作报告。2.1.2项目学习情境：项目学习情境：集成音频放大电路的制作集成音频放大电路的制作

3、集成音频放大电路原理图集成音频放大电路原理图2.2知识链接知识链接2.2.1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述2.2.2 差分放大电路差分放大电路2.2.3集成运算放大电路的特性与参数集成运算放大电路的特性与参数2.2.4集成运算放大电路的线性应用集成运算放大电路的线性应用2.2.5 运放的非线性应用电路运放的非线性应用电路电压比较器电压比较器2.2.1集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成电路：集成电路： 采用专门的制造工艺，将元、器件及连线采用专门的制造工艺，将元、器件及连线组成的完整电路制作在一块基片上，并完成特定组成的完整电路制作在一块基片上，并完成特定的功能。的功能。IC

4、分类：分类：数字数字IC：集成度高，可达上千万，超亿个元件的集成度高，可达上千万，超亿个元件的集成度。集成度。模拟模拟IC：线性：集成运放线性：集成运放非线性：模拟相乘器非线性：模拟相乘器数模：数模： 数模数模(D/A)模数模数(D/A) 目前集成运放种类繁多，指标性能不同，通常把它目前集成运放种类繁多，指标性能不同，通常把它们划分为们划分为通用型通用型和和专用型专用型两种。两种。 通用型运放：性能参数比较均匀，适合于多种领域的一般要求。通用型运放：性能参数比较均匀，适合于多种领域的一般要求。专用型运放：根据某些特殊要求，着重提高其中一项或几项性能专用型运放：根据某些特殊要求，着重提高其中一项

5、或几项性能指标的运放。指标的运放。集成放大电路集成放大电路：高增益的直接耦合放大电路：高增益的直接耦合放大电路 问世最早，应用最广泛。问世最早，应用最广泛。 最初多用于各种模拟信号的运算最初多用于各种模拟信号的运算 故称：集成运算放大电路，简称故称：集成运算放大电路，简称集成运放集成运放。集成运放电路结构特点：集成运放电路结构特点： 1.直接耦合直接耦合 （硅片上不能做大电容）（硅片上不能做大电容） 2.差动放大作输入级差动放大作输入级 （克服温漂）（克服温漂） 3.采用电流源采用电流源 （偏置（偏置提供稳定的电流提供稳定的电流 ；有；有源负载代替大电阻）源负载代替大电阻） 4.采用复合管采用

6、复合管 （不同类型管性能差异大）（不同类型管性能差异大）集成运放的符号集成运放的符号习惯符号习惯符号国际标准符号国际标准符号集成运放电路的组成集成运放电路的组成两个两个输入端输入端一个一个输出端输出端 若将集成运放看成为一个若将集成运放看成为一个“黑盒子黑盒子”，则可等效为一个，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。双端输入、单端输出的差分放大电路。各部分的作用：各部分的作用：1.输入级：输入级：KCMR，Ri，IQ， 一般采用差动放大。一般采用差动放大。2.中间级：中间级：Au，多采用有源负载的，多采用有源负载的 共射复合管放大。共射复合管放大。3.输出级：输出级：UOM，RO，多

7、采用，多采用 互补对称输出电路。互补对称输出电路。4.偏置电路：提供各级偏置电路：提供各级Q点，点， 采用电流源电路采用电流源电路2.2.2 差分放大电路差分放大电路引入引入:在集成电路中在集成电路中,由于不能制作大阻值和大容量的由于不能制作大阻值和大容量的 所以都采用所以都采用直接耦合方式直接耦合方式,但其静态工作点互相影响但其静态工作点互相影响,会产生零点漂移现象会产生零点漂移现象,为为有效克服此现象有效克服此现象,可采用可采用:一、基本差分放大器一、基本差分放大器 差分放大电路是由对差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构通过射极公共电阻耦合构

8、成的。对称的含义是两个成的。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路三极管的特性一致，电路参数对应相等。参数对应相等。静态分析:静态时，ui1=ui2=0,由于电路完全对称,有 UBE1=UBE2=UBE=0.7V所以静态时， uid=0， uo=0当b 远大于1时UC1=UC2=VCC-ICRC注意注意: :两管基极电流为零两管基极电流为零u uo o+ +- -零点漂移零点漂移:当放大电路输入端短路时,输出端仍有缓慢变化的电压产生的现象产生原因产生原因:采用方法采用方法:抑制原理抑制原理:主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移来表示。直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，如果第一

9、级产生零漂，经多级放大后输出级将严重偏离原工作点，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。差分放大电路由于电路结构对称，元件参数和特性相同，因而温度变化时UC1Q、UC2Q始终相等，使UOQ0，从而有效地抑制了抑制了温漂和零点漂移温漂和零点漂移。输入信号类型输入信号类型:差模信号:共模信号:是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。 uid = ui1 ui2 是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号t tt tt tt tu ui1i1u ui1i1u ui2i2u ui2i2差模双端输入差模双端输入, ,双端输出电路双端输出电路电压放大倍数电压放大倍数: :有负载时其中

10、其中输入电阻输入电阻: :Rid=2rbe输出电阻输出电阻: : RO=2RC交流通路差模双端输入差模双端输入, ,单端输出电路单端输出电路电路电路 如图所示,输出电压取自T1管的集电极交流通路为交流通路为: :注意负载电阻位置的变化注意负载电阻位置的变化, ,其阻值也由其阻值也由R RL L/2/2转换为转换为R RL L电压放大倍数电压放大倍数: :由于只取一个管子的集电极电压变化量, 所以是双端输出的一半负载时负载时: :其中其中: :R RL L=R=RC C/R/RL L如果从如果从T T2 2集电极输出集电极输出, ,结果结果? ?思考思考: :回答回答: : 输出与输入同相输出与

11、输入同相, ,没有负号没有负号双端输出的共模电压放大倍数双端输出的共模电压放大倍数交流通路交流通路: :电压放大倍数电压放大倍数: : 由于电路对称由于电路对称, ,其其输出电压输出电压u uococ=u=uoc1oc1- -u uoc2oc2=0,=0,所以所以注意注意: : 实际情况是实际情况是, ,电路参数不可能完全对称电路参数不可能完全对称, ,输输出电压很小出电压很小,A,Aucuc很低很低. .温漂和干扰信号可看成共温漂和干扰信号可看成共模信号模信号, ,所以所以AucAuc越小越好越小越好电源共模电源共模交流接地交流接地电源共模电源共模交流接地交流接地因因u ui1i1=u=ui

12、2i2=u=uicic, ,有有i ic1c1= =i ic2c2, , i iE1E1= =i iE2E2, ,所以所以i iE E=2=2i iE1E1, , u uR Re e=2=2I IE ER RE E, ,对每管而言对每管而言, ,相相当于射极接上当于射极接上2R2Re e的电阻的电阻双端输出的共模抑制比双端输出的共模抑制比由前面学习可以看到由前面学习可以看到, ,差分放大电路能够差分放大电路能够放大差模信号放大差模信号, ,抑抑制共模信号制共模信号. .通常用通常用共模抑制比共模抑制比来表示对共模信号的抑制来表示对共模信号的抑制能力能力, ,其值越大其值越大, ,抑制能力越强抑

13、制能力越强, ,定义为定义为: :放大电路的差模电压放大倍数与共模电压放放大电路的差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比的大倍数之比的绝对值绝对值, ,即用分贝数表示为即用分贝数表示为: :例例: Aud=-200, Auc=0.1 则则K KCMRCMR=20lg=20lg(-200)/0.1(-200)/0.1=66dB=66dB双输出的基本差双输出的基本差分放大电路分放大电路, ,在理在理想情况下想情况下, ,其其K KCMRCMR可认为无穷大可认为无穷大单端输出的共模电压放大倍数和共模抑制比单端输出的共模电压放大倍数和共模抑制比共模电压放大倍数共模电压放大倍数: :其中其中: : R

14、RL L=R=RC C/R/RL L当当b b 远大于远大于1 1时时, ,可简化为可简化为共模抑制比共模抑制比: :共模输入电阻共模输入电阻: :交流通路交流通路二、单端输入差分放大电路二、单端输入差分放大电路多数情况多数情况, ,两个输入信号不等两个输入信号不等, ,我们可以进行我们可以进行: :输入信号的分解输入信号的分解: :u ui i=u=ui1i1,u,ui2i2=0,=0,可可等效为等效为共模信号为共模信号为: :单端输入差分放大电路的分析单端输入差分放大电路的分析由于单端输入是可将信号分解成由于单端输入是可将信号分解成差模信号差模信号和和共模共模信号信号两部分两部分, ,则输

15、出信号也有两部分组成则输出信号也有两部分组成: :u uo o=u=uididA Audud+u+uicicA Aucuc双端输出双端输出共模放大倍数理共模放大倍数理论上为零论上为零, ,所以所以单端输入单端输入单端输出单端输出电路电路由于由于A Aucuc不为零不为零, ,从前面从前面学习得学习得差模输入电阻差模输入电阻 R Ridid=2r=2rbebe共模输入电阻共模输入电阻为为三、具有恒流源的差分放大电路三、具有恒流源的差分放大电路我们看到我们看到, ,对于单输出的对于单输出的差分电路差分电路, ,要提高共模抑要提高共模抑制比应提高制比应提高 Re Re 的阻值的阻值, ,但集成电路中

16、不易制作但集成电路中不易制作大阻值的电阻大阻值的电阻, ,要保持静要保持静态工作点不变态工作点不变, , 增大增大ReRe还需提高还需提高V VEEEE的数值的数值, , 这这些都是不现实的些都是不现实的, ,我们可我们可以采用以采用电路图为电路图为: :来解决矛盾来解决矛盾其简图为其简图为: : 从恒流源特性知从恒流源特性知, ,它它的交流电阻很大的交流电阻很大, ,而直流而直流压降却不大压降却不大, ,这样可大大这样可大大提高共模抑制比提高共模抑制比设设u uBE3BE3=U=UD D, ,则则1、Auo 高高: 80dB80dB140dB140dB2、rid 高高: 10: 105 51

17、0101111 3、ro 低低: 几十几十 几百几百 4、KCMR高高: 70dB70dB 130dB130dB2.2.3集成运算放大电路的特性与参数集成运算放大电路的特性与参数1. 最大输出电压最大输出电压 UOPP 使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 未接反馈电路时的差模电压放大倍数。未接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，愈高， 所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放能承受的最大共模输入电压

18、。超出此值，运运放能承受的最大共模输入电压。超出此值，运 放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调电压输入失调电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB三、三、理想运算放大器及传输特性理想运算放大器及传输特性在分析集成运放构成的应用电路时，将集成运放看成理在分析集成运放构成的应用电路时，将集成运放看成理想运算放大器，可以使分析大大简化。想运算放大器，可以使分析大大简化。理想运算放大器理想运算放大器应当满足以下各项条件：应当满足以下各项条件： 开环差模电压放大倍数开环差模电压放大倍数 差模输入电阻

19、差模输入电阻 输出电阻输出电阻 带宽带宽 转换速率转换速率 共模抑制比共模抑制比 Rid=； Auo=； Ro=0； BWSRKCMR； 传输特性传输特性如有负反馈如有负反馈,可认为运放工可认为运放工作在作在线性区线性区,此时特点是此时特点是由于由于Auo=,输出电压为有输出电压为有限值限值,所以所以uid=u-u+=uo/Auo0,即即u-=u+称为称为”虚短虚短”由于由于Rid0,有有i-=i+=uid/Rid0 称为称为”虚断虚断”uidu-u+i+i-2.2.4集成运算放大电路的线性应用集成运算放大电路的线性应用线性应用条件：线性应用条件：引入负反馈引入负反馈线性区特点：线性区特点：“

20、虚短虚短”、“虚断虚断”同时成立同时成立工作在线性区时电路的分析方法：工作在线性区时电路的分析方法： 将实际运算放大器按理想运算放大器处理，利用将实际运算放大器按理想运算放大器处理，利用其其“虚短虚短”、“虚断虚断”两个重要特征可以方便地分析和两个重要特征可以方便地分析和计算电路参数。计算电路参数。典型电路典型电路 信号的运算电路：比例；加、减；乘、除；对数、信号的运算电路：比例；加、减；乘、除；对数、指数等运算指数等运算 信号的处理电路：有源滤波器、精密整流电路信号的处理电路：有源滤波器、精密整流电路 电压比较器和采样保持电路等电压比较器和采样保持电路等1）比例运算电路）比例运算电路作用：作

21、用：将信号按比例放大。将信号按比例放大。类型：类型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。电路结构：电路结构：引入深度电压并联负反馈或电压引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样放大倍数与运放本身无关，串联负反馈。这样放大倍数与运放本身无关，只与反馈系数即外部元件有关。只与反馈系数即外部元件有关。0uui1= i221RuRuoi121RRuuAou.放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚开路虚开路（1 1）反相比例运算电路）反相比例运算电路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。电压并联负反馈电压并联负反馈uo_+ +

22、 R2R1RPuii1i2总电流总电流反馈电流反馈电流净输入电流净输入电流.电路的输入电阻电路的输入电阻ri=R1平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP =R1 / R2uo_+ + R2R1RPuii1i2为保证一定的输入为保证一定的输入电阻，当放大倍数电阻，当放大倍数大时，需增大大时，需增大R2，而大电阻的精度差，而大电阻的精度差，因此，因此，在放大倍数在放大倍数较大时，该电路结较大时，该电路结构不再适用。构不再适用。（2 2）同相比例运算电）同相比例运算电路路_+ + R2R1RPuiuou-=

23、 u+= ui12RuRuuiioiouRRu)1 (12反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电高。电压串联负反馈。输入电高。1211RRuuAou虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引负反馈引到反相输入端，信号到反相输入端，信号从同相端输入。从同相端输入。虚开路虚开路udiuf_+ + uiuoiouuuu此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。器相同，但是电压跟随性能好。（3 3）电压跟随器）电压跟随器结构特点：结构特点：输出

24、电压全输出电压全部引到反相输入端，信部引到反相输入端，信号从同相端输入。号从同相端输入。电压电压跟随器是跟随器是同相比例运算同相比例运算放大器的特例。放大器的特例。2 2）加减运算电路）加减运算电路作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：类型：同相求和与反相求和。同相求和与反相求和。电路结构：电路结构：引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。（1 1）加法运算电路）加法运算电

25、路R12_+ R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。FPR/R/RR1211 加法运算电路加法运算电路0uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+ R2R11ui2uoRPui1可用叠加法求可用叠加法求虚地虚地_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：解出：（2 2） 减法运算电路：双端输入差动放大器减法运算电路：双端输入差动放大器叠加法叠加法减法运算电路减法运算电

26、路1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小较小 。2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。相输入的输入电阻高。3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共模电同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。压小。比例运算电路与加减运算电路小结比例运算电路与加减运算电路小结由虚短及虚断可得由虚短及虚断可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuC

27、tt d1 ooiF10tutuCRtt tUCRud1iF1ouitOF1iOM0CRUUt 积分饱和积分饱和线性线性积分积分时间时间线性积分时间线性积分时间UOMuotO+ UOMui = Ui 0 ui = Ui fl才能组成带通电路。 一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联连接组成的带阻滤波电路，所以fhUR，uo=+ UOMui UR，uo= UOMuiuoURR2+ R1+uiuoOURtuiOURt1t2Ouot +UOMUOM设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则 ui UR，uo = UZUZ UZuoRDZURuo

28、uiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 UOM +UOMuiuoOURtuituo+UOMUOMUR=0uouiR2+ R1+电路中引入正反馈电路中引入正反馈RFiuu R2uoui+ R1+ oFuRRRu 22单限比较器电路简单，但抗干扰能力差。在单限比较器电路简单，但抗干扰能力差。在uiUR时，时，干扰易引起输出误跳变，故常采用滞回电压比较器。干扰易引起输出误跳变，故常采用滞回电压比较器。提高了比较器的响应提高了比较器的响应 速度速度输出电压的跃变不是输出电压的跃变不是 发生在同一门限电压发生在同一门限电压 上。上。当当 uo = + UOM， 则则 当当 uo = UOM， 则则门限电压受输门限电压受