集成运放的电路分析

集成运放的线性应用电路研究学习目标：学会用集成运放构造基本运算电路和波形变换电路，掌握其线性应用的工程设计方法；学会用EDA软件（Proteus）仿真集成运放电路的工作状态；掌握集成运放电路的安装、实验调试方法；研究集成运放线性应用的特点。一、任务与要求设计由集成运放构成的解二元一次方程组的运算电路和波形变换电路；用Proteus软件绘制电原理图，并对所设计的电路进行仿真；实验测试电路的性能指标。1．给定条件及具体要求：①．二元一次方程组：，（3-1）⎩⎨⎧−=+=xyxy2242其中y、x可视为运算电路的输出电压变量vy、vx，常数项为输入信号vi1=-0.2V,vi2=-0.4V时电路运算的结果。设计解该方程组的运算电路，仿真并测试vy、vx的值。②．在实现①的基础上，若-vy=vx=10SinωtV（f=1KHz），设计一个由单一信号源vi1激励的，且能对vy或vx进行精密全波整流（波形变换）的电路；仿真并测试输出波形及传输特性。2．性能指标：①．vy、vx的误差不大于1%；当-vy=vx=10SinωtV时，确定vi1和vi2信号的幅值。②．精密全波整流电路的输出为正电压，幅度vom为10V。误差不大于5%。二、课题分析及设计思路二元一次方程组的运算电路主要是加、减运算和比例运算，由于y、x可视为运算电路的输出电压变量vy、vx，而输入信号变量vi1和vi2在方程组中没有直接反映，因此应先要将二元一次方程组转换成以vi1和vi2为输入变量的电路方程。根据条件①，可把常数项视为运算电路的输出电压值，这样当vi1和vi2为已知数时就可确定运算电路的比例系数A。例如，可取（3-2）⎩⎨⎧==22i11i24AvAv代入vi1和vi2给定的条件即可求出A1、A2。然后由式（3-2）和（3-1）得出电路方程组。⎩⎨⎧==),(),(2i1i2i1ivvfvvvfvxy（3-3）vi1vi2RFR1R2R3图3.1基本差动放大器voA应注意，实现式（3-3）的电路不是唯一的。例如，减法运算电路的设计可以用图3.1所示的一个集成运放来实现。由图可得i11Fi22331Fo1vRRvRRRRRv−+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=（3-4）当R2=R1，R3=RF时，则)(i1i21FovvRRv−=（3-5）也可用图3.2所示的两个集成运放来实现。由图可知，i11Fo1vRRv−=（3-6）)(i2i11F2FovvRRRRv−=（3-7）当R1=RF时，则)(i2i12FovvRRv−=（3-8）图3.1的电路虽然只用一个集成运放，但输入共模信号会进入放大器；图3.2采用“虚地”放大器，能有效抑制共模信号输入。任务②是在实现①的基础上，设计一个由单一信号源（如vi1）激励时，-vy=vx=10SinωtV的正弦波输出，再经过波形变换电路实现全波整流功能。根据给定条件，先由vy、vx求出vi1和vi2的信号值，然后设计vi1和vi2之间的比例运算电路，从而实现一路信号的输入方式。电路实现的方案之一如下：实现全波整流的最简方案是采用二极管直接整流，其接法如图3.4所示。由于二极管存在死区电压，在波形接近零时二极管都会截止，因此将影响负载上平均电压值的精度。利用集成运放可以消除二极管死区电压的影响，实现精密全波整流。图3.5是由集成运放和二极管构成的精密半波整流电路。其工作原理如下，vi0时，vo10，二极管D1导通，D2截止，vo=0vi1RFR1R3图3.2两个集成运放实现减法器vo1A1vi2RFR2R2R4voA2vi2vi1图3.3实现任务②的方案一RRD1D2R1vivo图3.5精密半波整流vo1RL+―vx+―yyD1D2图3.4二极管全波整流vi1=Avi2波形变换(全波整流)解方程组电路vxvyVoS（3-9）vi0时，vo10，二极管D1截止，D2导通，vo=vi应用图3.5的精密半波整流和加法器的原理，可设计出单端输入、接地负载的精密全波整流电路，如图3.6所示。由图可得，vi0时，vo=-vivi0时，vo=-2vo1-vi=vi这表明其整流输出是负电压。三、单元电路设计及元器件选择1．集成运放及电路结构的选择根据课题要求和上述的方案分析，集成运放在电路中都是作为放大器使用，即工作在线性区，所构成的电路都是深度负反馈状态。因此，集成运放的选择应主要关注开环电压增益Avo、失调电压VIO、失调电流IIO及输入、输出电压范围等参数。Avo越大，运放的“虚短”和“虚断”特性越好。VIO、IIO越小，运放的“零漂”就越小。运放的输入、输出电压范围决定了信号放大的动态范围。因此要根据电源的配置和信号的要求，选择输入、输出电压范围较大的运放。应注意的是，不同的运算电路结构有不同的差模动态范围。例如，反相“虚地”放大器能抑制共模信号的输入，可获得最大的差模动态范围；而同相比例放大器存在共模信号的输入并放大，这样就减小了差模动态范围。因此选择运算电路时应优先选择“虚地”结构的放大器。集成运放的共模抑制比KCMR是衡量其对共模信号抑制能力的重要指标，一般应选择越大越好。2．集成运放的电源配置根据应用和信号的需要，可选择双电源或单电源运放。双电源运放在电路中是以两电源串联后的中点作为电路系统的公共地，因此常用于交流信号的放大。单电源运放可以省去一组电源，适合低电压、便携式设备的需要。但单电源运放用于交流信号的放大时，运图3.6单端输入、接地负载的精密全波整流电路（3-10）RRD1D2Rvivo11R/2RR2voRRL图3.7单电源运放构成交流反相和同相放大器的偏置VBCCR1R2vo1A++R2RFC1C2RLvivoviR2voR1RLAR2R3VBCC+C1+RFC2+C3放的静态偏置必须合理。为获得最大动态范围，通常使运放同相端的静态工作点电压V+为电源电压的一半，即11)-(321CCVV=+图3.7分别是单电源运放构成交流反相和同相放大器的偏置方式。图中C1、C2、C3为交流耦合隔直电容，其大小可根据交流放大器的下限频率fL来确定，一般取2LL321Rfπ计算电路增益时可将交流耦合隔直电容视为短路。R3可提高同相放大器的输入电阻，其选较小，动能力及过载保护一般在20mA以下。需要驱动大电流负载时，应选压范并对所设计的电路进行仿真（虚拟实验），模拟电路的实际的输入、输出静态电压；五、电路安装与调试图3.8过载保护电路(a)防止电源反接(b)防止共模输入电压过大(c)防止差模输入电压过大路(a)12)-(31)10~3(CCC===择原则除了根据放大器的输入电阻要求考虑外，应使R3R2,一般取R2=10kΩ。集成运放构成的交流放大器仅放大交流信号，其输出信号受运放本身的失调影响故不需要调零。3.集成运放的驱通用集成运放的负载驱动能力都不大，择集成功率放大器，或者用集成运放加电流扩展电路来实现（参阅课题四）。集成运放是电路系统中的重要器件，使用时不能超过其性能参数的极限值，如电源电围，最大输入电压范围等。为防止超过极限值或使用时的疏忽等原因损坏集成运放，可以采用一定的保护措施，图3.8就是常用的过载保护电路。四、原理图绘制与电路仿真用Proteus软件绘制电原理图，工作状态。通过仿真测试，了解所设计的电路是否满足各项性能指标要求。仿真内容主要有以下几方面：1．测试各集成运放及单元电路2．电路的正弦稳态响应分析及相关性能指标的测试；3．整流电路的输入、输出波形及传输特性的测试。-VEEvoA+VCC+VCCvi-VEEvoAvoA(b)(c)1．电路布局与安装技巧按信号流向从左至右合理设计。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理，便于操作。为防止各种干扰，集成运放的输入端应与元件直接相连，最好不要引线。而其输出线、法参数能否满足设计要求。安装完成后，要用万用表检测电路接触是否可靠、运放电源极性是否正确、有否短路。一切正常后才能通电入、短”运放输出电压，看是否达最大输出幅度；再分别测出运放同相端和反相端对地的电压，看用于直流信号放大的集成运放电路，还必须进行“调零”（改变运放输入级的直流偏置，使其输集成运放的输出电压，应注意的是，这些调零方法都属于静态调零。它并不能从根本上消除运放的零漂。在要求低漂移的应用中，最好选择具有动态调零方式的自稳零运放。图3.9运放的调零电路(a)μA741或μA747调零电路(b)反相放大器调零电路(c)同相放大器调零电路基本单元电路的布局应以集成运放为中心，高频线、大电流线都要远离运放的输入端，以免分布参数影响电路性能。合理布置地线更是抑制干扰产生的重要方法。2．集成运放电路的调试方电路安装前，要先检测元器件是否好坏，调试。集成运放电路的调试应按先静态后动态的顺序进行。静态调试主要是测量集成运放输输出端对地的电压，以判断集成运放工作是否正常。集成运放线性区工作特点是“虚和“虚断”的现象存在，且输出电压未达最大输出幅度。实验中只要用万用表先测量其是否近似相等。若Vo≠±Vom、且V-≈V+则可判断运放工作在线性区，否则，工作于非线性区。造成运放工作在非线性区的原因很多，必须逐一检查和排除。例如，负反馈回路断开而使运放开环工作；线路布局不当引起的高频自激；差模信号幅度过大而引起运放“堵塞”等。出为零）。其方法是不加输入信号，将放大器输入端接地。用万用表分别测量看是否为零，否则需要进行调零。对于有调零端子的运放，按要求接入规定阻值的电位器进行调整；对于无调零端子的运放，则需外加调零电路来实现。图3.9是几种常用的运放调零电路。R1RFARp=RF//R1vi=0voR1RFμA741Rp=RF//R1vi=0vo2315467+VCC-VEE10kΩ(a)+VCC-VEE100kΩ(b)47kΩR1RFAvi=0vo+VCC-VEE200kΩ100Ω47kΩ(c)六、运算放大器静态调试完成后就可对各功能电路的性能指标进行测试。连接vv信号转换电路后，令v测出信的输入，令v=1.5SinωtV(f=1kH)，用示波器测量x=10SinωtV（f=1KHz）的误差。将精密全波整流电路的输入分别和方程组电路输出的波形。的误差。电压传输特性。1．分析并仿真图3.10电路，画输入正弦，说明电路的功能及特点。电路。3.9中方法能5．实验中如何检测集成运放的工作状态？判断其线性工作状态的理论依据是什么？课题完成后应认真撰写《设计与测试报告》（格式见附录），其主要内容如下：2．课题分析与方案选择。明确设计思路。通过各种可实现的电路原理、特点分析，方案类比，选择最佳实现电路。定元器件标称值，提出元器件清单（包括元器件型号、规格与要求、数量等）。由最终元器件标称值确定的电路参数，复核技术指标是否满足要求。；仿真电路的工作状态，测电路性能指标测试1．方程组电路测试。在vi1和vi2端分别加直流信号，vi1=-0.2V,vi2=-0.4V，分别测出vy、vx的值。2．信号转换电路测试。i1和i2i1=1.5V,号转换电路的输出，计算其增益。3.信号转换电路与方程组电路测试。将信号转换电路的输出作为方程组电路vi2i1zvvy、vx的波形。计算与给定指标-vy=4．精密全波整流电路测试。输出vy、vx相接，用示波器测量整流用示波器X-Y方式，测量精密全波整流电路的计算与给定指标vom=10V七、设计、仿真及实验问题研究波信号时的输出波形和电路的传输特性2．试用二极管桥式整流原理和一个集成运放设计一个单端输入、浮地负载的精密全波整流3．图3.5精密整流电路消除二极管死区电压的原理是什么？4．集成运放的外部调零方法还有哪些？图否完全消除集成运放的零漂？交流电压放大器是否需要调零？八、设计与测试报告要求1．课题的任务及要求。对课题认真分析，正确理解，3．电路元器件选择和参数计算。对电路中每一个元器件给出选择的依据，容许的元器件参数变化范围要充分估计，选4．原理图绘制及仿真。用Proteus软件绘出电原理图（符合技术图纸规范要求）R3D1R4vi图3.10一种波形变换电路vo1R2voR1A1A2RL试性则修改设计参