3章 运放的特性及各种连接

电子仪器设计主讲教师：郝晓剑信息与通信工程学院电子工程系第3章运放的特性及各种连接3.1运算放大器的性能指标3.2用集成运放设计放大器的方法3.3信号运算电路3.4测量放大电路3.1运算放大器的性能指标3.1.1集成运算放大器基础3.1.2集成运算放大器的电压传输特性及主要参数3.1.3集成运算放大器的分析重点3.1.1集成运算放大器基础1.运算放大器的结构金属圆壳式封装双列直插式封装运算放大器是在一块硅片上，经过光刻、扩散等一系列复杂工艺过程制成后，要引出多个引脚，加上外壳封装，构成完整的产品。2．电压控制运算放大器的内部电路所示电路为简化了的运算放大器，是由两级直流放大器组成的。第一级是一个差分输入单端输出的射极耦合放大器。利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其它方面的性能。输入级的好坏影响着运放的大多数参数，它具有高输入阻抗、低漂移、低功耗、输入电压范围大、静态电流小等特点。晶体管Q3是一个恒流源。如果两个输入（Q1和Q2的基极电压）相等，由恒流源提供的电流Io在Q1和Q2中将平分，第一级（Q2的集电极）的输出电压为+VS－R2Io/2。若没有恒流源Q3，流过Q1和Q2的电流将随V和V_的电平高低变化（不仅与其差值有关）。第二级的Q4起电平转换器和放大器的作用，其输出电压可以通过调节R4来调零。射极跟随器Q5提供了低输出阻抗，提高输出效率。3.集成运算放大器的分类通用双极型单、双、四运放单电源运放低噪声双极型运放结型场效应管输入级(JFET)运放MOS场效应管输入级(MOSFET)型运放高精度运放高输出运放微电流输入(高阻)型运放高速、宽带型运放低功耗型运放3.1.2集成运算放大器的电压传输特性及主要参数集成运放的电压传输特性如图所示，它表征了在低频条件下，输入电压和输出电压之间的关系。1.非理想运算放大器的主要参数(1)差模电压放大倍数Aod（亦称之为开环差模放大倍数）一般情况下，Aod＝104～106(即80～120dβ),性能较好的运放可达到140dβ以上。(2)差模输入电阻rid差模输入电阻rid是指输入差模信号时运放的输入电阻。在实际运放中，rid也是较高的，如：CF741的rid＝1MΩ，高阻型运放5G28的rid＝104MΩ。(3)输出电阻ro集成运放的输出级一般采用互补对称式共集电路，因而有较小的输出阻抗，通常ro＝100Ω～lkΩ，如CF741，ro≈200Ω。(1)，(2)，(3)为集成运算放大器工作在线性区的三项基本参数。(4)输入失调电压UIOUIO的含义是，在UI＝0时，欲使输出电压Uo＝0，所需外加的补偿电压。造成失调电压的原因是运放输入级差分对管的特性不会完全一致。(5)输入失调电压温漂dUIO／dT由于运放电路输入级差分对管的温度特性不—致，当温度变化时，输入失调电压亦随之变化。可以用外接调零电路抵消UIO的影响，但不能消除dUIO／dT的影响。因此，对于用户来说，dUIO／dT是一个更为重要的参数。(6)输入失调电流IIOIB1和IB2是同相端与反相端的输入电流。这个参数表征了差分对管输入电流不对称的程度。(7)输入失调电流温漂dIIO／dT其意义与dUIO／dT类似，它也是运放一个重要参数。(4)，(5)，(6)，(7)为集成运算放大器的失调参数。在上面四个参数中，dUIO／dT和dIIO／dT愈小，运放的温漂亦愈小，这对于设计低漂移的放大器来说是至关重要的参数。(8)共模抑制比KCMR常用分贝表示，即为20lgKCMR。通常运放的20lgKCMR＝60～100dβ。高共模抑制比组件的20lgKCMR可达120～140dβ，例如AD521，AD522。(9)最大共模输入电压UICMAX如果共模信号的幅值超过一定限度，运放就不能正常工作。称这个极限值为UICMAX。(8)，(9)为集成运算放大器的共模参数。在工业现场使用的放大器，因由传感器经传输线传来的信号含有很强的共模信号，要特别注意共模参数。在强干扰的工业现场使用的放大器，第一级最好采用UICMAX、KCMR都高的仪用放大器。(10)-3dβ带宽fH它是集成运放的上限截止频率。例如F007(CF741)的fH＝l00Hz(11)单位增益带宽fC它是Aod＝1时所对应的频率，也就是运放的增益带宽积。(12)转换速率SR它被定义为单位时间内最大输出电压的变化。如果在输入端加一个方波，尽管根据频率响应（小信号参数），应该有更快（指数）的上升时间，但开始阶段的输出却是以其转换速率线性上升的斜坡型电压，如图所示。SR反映了运放对高速变化的输入信号的响应情况，只有当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时，输出才能按线性规律变化，否则输出信号将产生频率失真。maxdTduSoRtUuomosinomomoRUtUdTduSmaxmaxcos(10)，(11)，(12)为集成运放的时域和频域参数，这三个参数主要用于交流放大器的设计。（13）输出饱和过大的输入电压将会使输出呈正饱和或负饱和，饱和电压的极限值略小于电源电压。741型运算放大器的电源电压为±15V，其输出将在+14V或-14V附近达到饱和。如果输出被短路或接以很小的电阻做负载，输出电流可能达到饱和。当然，在电流饱和的情况下，其最大输出电压将小于或远小于正常负载时的输出电压。741型运算放大器在10～20mA时出现电流饱和。例1假定某运放的转移速率为100V/μs,输出幅度的最大值为10V，求其最大工作频率。反之，如果知道了工作频率，也可求出不失真的最大输出幅度，如信号频率为10kHz,运放的转移速率≥0.5V/μs,则不失真的最大输出幅度MHzVsVUSfomR6.11028.6/1002VkHzsVfSURom8102/5.02例2Aod=104，当(V+－V-)分别为0.001V和0.002V，电源电压为±15V时，求VO=？VO=Aod(V+－V-)=104×0.001V=10VVO=Aod(V+－V-)=104×0.002V=20V（×）已饱和2.理想运放的性能指标及两个基本特性：odACMRKidrHfRS0IOU0dTdUIO0IOI0dTdIIO0)()(IIII0or(1)运放两输入端之间为虚短路，即(2)运放两输入端之间为虚断路，即)()(IIUU0)()(IIII3.1.3集成运算放大器的分析重点分析集成运算放大器时，首先要明确是工作在线性区还是饱和区（非线性区）。1.线性区：)()()(IIodoUUAU工作在线性区的集成运放有两个重要特点：虚短路和虚断路。2.非线性区：只要在同相输入端和反相输入端之间加无穷小的电压，输出电压就会超出线性范围，达到正向饱和电压和负向饱和电压，输入电压与输出电压之间不呈线性关系。工作在非线性区的集成运放有两个重要特点：输出非高即低和净输入电流为零。3.2用集成运放设计放大器的方法3.2.1基本反相放大器的设计3.2.2基本同相放大器的设计方法3.2.3多级交流放大器的设计3.2.1基本反相放大器的设计1.基本反相放大器的分析10RRuuAfiu1RRi0/1fidodooRrArRHfidodbwfRrAf)/1(fRRR//12电路中R2叫平衡电阻，其作用是为了保证集成放大器的两个输入端处于静态平衡的工作状态，避免因电阻不平衡时，静态输入偏置电流在电阻上产生的压降不等而引入附加差分输入电压。它的求法是：令集成放大器处于静态（u0=0，ui=0），从同相端及反向端向外看对地的电阻应相等。所以，R2=R1//Rf。2.基本反相放大器的设计方法例3设计一个高输入阻抗的反相放大器，该电路可从直流到50kHz的电压进行放大。要求：增益：－10和－100（可用开关选择）频率响应：直流～50kHz（最小值）输入阻抗：10MΩ（最小值）输出阻抗：10Ω（最大值）输出电压和电流：在10mA时为±10V，最高频率可达5kHz（最小值）输出端的零偏置电压：0.1V（最大值）反相放大器的设计程序是：根据已知的性能指标，算出所需运放的一些主要参数，并选择运放的型号；计算外围电路的参数。对于高精度的放大器，还需进行误差分析。对不同的要求的反相放大器，设计方法亦略有差别。一般来讲，R1和Rf的取值范围为1kΩ～1MΩ，放大倍数的范围为0.1～l00或1000，工作频率为0～10kHz。3.基本反相放大器的调试步骤步骤1：消除自激振荡步骤2：调零步骤3：观察输出波形步骤4：性能指标的测量及调试4.反相放大器的性能扩展方法1：采用T型反馈网络的反相比例电路，如图所示。uu+－A∞+oi1R2R4RR31ii24ii3)//1(342142RRRRRRAu10RRuuAfiu如本例的元件参数值取值如下：R2＝100kΩ，R3＝1kΩ，R4＝9kΩ，要保证闭环增益Au为100，则电阻R1的取值应为10kΩ，电路的输入电阻即为10kΩ。同样参数条件下，反相比例运算电路的电阻R1只能取1kΩ，电路的输入电阻也即为1kΩ。由此可见，采用T型网络的反相比例运算电路确实可以提高电路的输入阻抗。方法2：自举电路由上例可知，这种电阻无需采用高值电阻，就能同时满足高输入电阻和高放大倍数的要求。由于Ri＝R1，所以要获得更高的输入电阻仍有困难。下面自举电路可以使输入电阻达到100MΩ左右。如果输入回路电流能主要由运算电路本身提供，则向输入信号源索取的电流就几乎为零，这对外部信号源来说，相当于电路具有很高的输入电阻，这正是输入电阻的自举扩展原理。自举电路■何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。■是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。A2为主放大器，A1为辅助放大器，A1的输出电流供给R1，按照反馈的观点分析该电路，该电路为一个正反馈电路且有：由上式可知，当时，。但是由于上面电路形成了正反馈，为了防止电路振荡，应使R略大于R1。若取(R-R1)/R为0.01％，则输入电阻。这是基本反相放大器无法实现的指标，该电路的主要缺点是放大倍数受到和比值的限制。1RRiRkR101MRi100IIIi112RRAu11RRRRIURiii方法3：高输入电阻高增益反相放大器若将T型电阻网络和自举扩展原理结合起来，无疑能组成既有较高的输入电阻，又有较高的增益，而且不必采用高值电阻的反相放大器。11321)]//([FFFiRRRRRRRR)//(32FFRRR111FiRRRRRR若Rl＝100kΩ，相对偏差为0.01％，则输入电阻为100MΩ；它是相当高的，而电路的增益也可以很高，而又不采用高值电阻。电路的主要缺点是匹配电阻要求严格。(2)提高输出电压大多数通用运放所用电源电压为士15V，这使它的输出电压的最大线性范围差不多限定在土12V，峰一峰值约为24V。当负载所需的驱动电压高于此值时，除了选用输出电压更高的特殊运放外，也可用通用运放来承担此项任务。这时，可将两只通用运放组成差动输出电路、输出电压线性范围可扩展一倍，达到土24V左右，峰一峰值可达48V左右。iFoURRU123.2.2基本同相放大器的设计方法101RRUUAfiu)1(2FArRIURodidiiifRRRF110oRcuodbwfAAfuuo+∞uA+－－+ui其最小增益是1（R1=，Rf=0），最大有用增益大约为102～103，Rf的最合适的范围为2～100KΩ。1.基本同相放大器的分析2.基本同相放大器的设计方法由于反相放大器的共模电压几乎等于零，而共模抑制比为有限值，因此共模电压对输出电压的影响可以忽略。但是同相放大器的同相端和反相端的电压不是零，加有共模信号。因此在设计同相放大器时，