用运放设计函数发生器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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：,3,2,7,4,6,+,Vcc,-,Vee,Vo,+,-,UA741,黑表笔,(),红表笔,(-),电阻值,7,脚,3,脚,无穷大,3,脚,7,脚,44 K,7,脚,2,脚,无穷大,2,脚,7,脚,46 K,7,脚,6,脚,无穷大,6,脚,7,脚,10 K,6,脚,4,脚,1000 K,4,脚,6,脚,10 K,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,V,IO,输入失调电流,I,IO,差模开环直流电压增益,A,VD,共模抑制比,K,CMR,增益带宽积,A,V,BW,转换速率（摆动率）,S,R,运算放大器的应用,输入失调电压,V,IO,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,V,IO,该,V,IO,称为输入失调电压。,V,IO,R,1,R,1,+R,F,V,O,V,IO,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,I,IO,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,I,IO,I,B+,-I,B-,，,其中,I,B+,为同相输入端基极电流，,I,B-,为反相输入端基极电流。,I,IO,一般为,1nA,10nA,，其值,越小越好。,测试方法：,I,IO,V,3,R,3,V,2,R,1,I,B+,-,I,B-,运算放大器的应用差模开环直流电压增益,A,VD,当运放没有反馈时的直流差模电压增益。,选择电阻,(,R,1,+R,2,),R,3,。,测量时，交流信号源的,输出频率尽量选低,（小于,100Hz),，,V,i,幅度,不能太大，一般取几十,毫伏。增益通常用,DB,（分贝）表示，即,20Lg,A,VD,。,测试方法：,R,1,+R,2,A,VD,V,O,V,i,V,O,V,i,*,V,i,V,i,V,O,V,i,*,R,2,运算放大器的应用,共模抑制比,K,CMR,将运放的差模电压放大倍数,A,VD,与共模电压放大倍数,A,VC,之比称为共模抑制比，单位,dB,。,其中,V,i,1V,（有效值）,、频率为,100Hz,的正弦波。,K,CMR,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：,K,CMR,20lg,A,VD,A,VC,dB,A,VD,R,F,/R,1,A,VC,V,o,/V,i,运算放大器的应用,A,V,BW,常数,测试方法：,表,2.2.1,增益带宽积测量值,R,F,R,1,A,V,BW,A,V,BW,1,10K,10K,2,100K,10K,3,1M,10K,运放的带宽,BW,通常等于截止频率,f,c,，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,A,V,BW,V,i,=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,A,V,=0.707,A,V(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）,S,R,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，,V,i,为,10KHz,的方波，其峰,-,峰值为,5V,。,S,R,V/,t,t,为输出电压,v,o,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：,A,V,=,R,F,R,1,输入电阻,R,i,=,R,1,输出电阻,R,o,0,平衡电阻,R,p,=,R,1,/,R,F,其中，反馈电阻,R,F,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。,R,1,的取值应远大于信号源,v,i,的内阻。,若,R,F,=,R,1,，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：,A,VF,=1+,R,F,R,1,输入电阻,R,i,=,r,ic,输出电阻,R,o,0,平衡电阻,R,p,=,R,1,/,R,F,若,RF,0,，,R,1,=,（开路），则为,电压跟随器,。,r,ic,为运放本身同相端对地的共模输入电阻，一般为,10,8,。,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,R,1,=,R,2,=,R,F,，并使其中一个输入信号,v,1,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,V,o,=(,V,2,V,1,),。,R,F,R,1,V,O,=,V,1,R,F,R,2,V,2,),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，,A,1,为射极跟随器，实现阻抗变换与隔离，,A,2,为基本的加法器，,输出电压：,R,F,R,1,V,O,V,1,R,F,R,2,V,2,),R,F,R,1,V,1,V,2,),10,（,V,1,V,2,）,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,R,s,当输入频率低于,dv,i,dt,V,O,=,R,F,C,式中，,R,F,C,为微分时间常数。,f,o,=,1,2,RsC,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,A,VF,=,R,F,R,s,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,R,F,并联。当输入频率大于,式中，,R,1,C,为积分时间常数。,f,o,=,1,2,R,F,C,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,A,VF,=,R,F,R,1,t,1,R,1,C,V,O,=,0,V,i,dt,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,R,1,与,R,F,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。,V,R,1,R,1,+R,F,V,o,f,o,1,T,1,2RC,ln 1+2,R,1,R,F,（,）,当电容,C,的端电压,V,C,（等于运放的反相端电压,V,）大于,V,+,时，输出电压,V,o,=,V,Z,（双向稳压管,D,Z,的限幅电压），则电容,C,经电阻,R,放电，,V,C,下降。当,V,C,下降到比,V,+,小时，比较器的输出电压,V,o,=+,V,Z,，电容,C,又经过电阻,R,充电，电容的端电压,V,C,又开始上升，如此重复，则输出电压,v,o,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,C,1,、,C,3,可根据交流放大器的下限频率,f,L,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+,R,F,R,2,交流放大器的输入电阻,R,i,=,R,1,（,R,1,一般取几十千欧。）,C1=C3=(3,10,）,1,2,R,L,f,L,反馈支路的隔直电容,C,2,一般取几微法。,电容,C,1,、,C,2,及,C,3,为隔直电容,电阻,R,1,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。,V,B,=,R,2,R,2,R,F,V,O,因为放大器的电压放大倍数,A,vF,=1+(,R,F,/,R,2,),，故,V,O,=,（,1+,R,F,R,2,）,V,i,R,2,R,F,R,2,V,B,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,R,F,反馈至,A,点,V,A,=,R,2,R,2,R,F,V,O,有,V,A,V,B,运算放大器的应用,R,1,两端的电压相等，且相,位相同，故称,R1,为自举电阻。,流经,R,1,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,R,i,=(,R,1,/,r,ic,)(1+,A,VF,F,),式中，,F,为反馈系数，,F,=,R,2,/(,R,2,+,R,F,),。,对于图所示电路参数，输入电阻,R,i,=(,R,1,/,r,ic,)(1+,A,VF,F,),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,R,2,、,R,3,称为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。,V,+,=,V,CC,，即,1,2,V,=,R,3,R,2,R,3,V,CC,1,2,V,CC,所以取,R,2,=,R,3,静态时,V,6,=V,+,=,1,2,V,CC,电容,C,1,、,C,2,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,A,VF,=,R,F,/,R,1,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,、,S,R,及,K,CMR,，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,v,ia,R,1,V,V,+,A,1,A,2,V,EE,R,2,R,3,RP,1,V,CC,a,C,1,R,4,RP,2,C,2,V,CC,V,EE,R,5,v,o2,v,o1,1,、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,C,1,称为加速电容,，可加速比较器的翻转,R,1,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,v,ia,；,比较器的输出,v,o1,的高电平等于正电,源电压,+,V,CC,，,低电平等于负电源电压,V,EE(,+,V,CC,=,V,EE,),。,当输入端,V,+,=V-=0,时，比较器翻转，,V,01,从,+,Vcc,跳到,-,Vee,，或从,-,Vee,跳到,Vcc,。,运放,A,1,与,R,1,、,R,2,、,R,3,、,RP,1,组成电压比较器。,v,ia,R,1,V,V,+,A,1,A,2,V,EE,R,2,R,3,RP1,V,CC,a,C,1,R,4,RP,2,C,2,V,CC,V,EE,R,5,v,o2,v,o1,V,ia,=0,若,V,o1,=-,Vee,则,比较器的上门限电位为,V,ia+,=,-R,2,R,3,+RP,1,(-,Vee,)=,R,2,R,3,+RP,1,(,Vcc,),设,V,01,=+,Vcc,则,R,2,+R,3,+RP,1,(+,Vcc,),R,2,+,R,3,+RP,1,R,2,+R,3,+RP,1,整理上式,得比较器的下门限电位为,-R,2,R,3,+RP,1,(+,Vcc,)=,R,3,+RP,1,-R,2,(,Vcc,),V,ia,=,V+=,RP,1,指电位器的调整值,(,以下同,),比较器的门限宽度,V,H,为,V,H,=V,ia,+,V,ia,=2,R,2,R,3,+RP,1,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,V,ia,从上门限电位,V,ia+,下降到下门限电位,V,ia,时，,输出电压,V,o1,由高电平,+,Vcc,突变到低电平,-,Vee,。,比较器的传输特性,v,ia,R,1,V,V,+,A,1,A,2,V,EE,R,2,R,3,RP,1,V,CC,a,C,1,R,4,RP,2,C,2,V,CC,V,EE,R,5,v,o2,v,o1,Vo2,=,-(+,Vcc,),(R,4,+RP,2,)C,2,t=,-,Vcc,(R,4,+RP,2,)C,2,t,当,V,o1,=-,Vee,时，,V,o2,=,-(-,Vee,),(R,4,+RP,2,)C,2,t=,Vcc,(R,4,+RP,2,)C,2,t,a,点断开后，运算放大器,A,2,与,R,4,、,RP,2,、,R,5,、,C,2,组成反相积分器，,其输入信号为方波,V,o1,时，则积分,器的输出,V,o2,=,-1,(R,4,+RP,2,)C,2,当,V,o1,=+,Vcc,时，,V,o1,dt,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,V,ia+,时,输出,V,o1,为高电平（,+,Vcc,),。这时积分器开始反向积分，三角波,V,o2,线性下降。,当,V,o2,下降到比较器的下门限,电,位,V,ia,时，比较器翻转，输出,V,o1,由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分，,V,o2,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：,V,o2m,=,方波的,幅度,略小于,+,Vcc,和,-,Vee,。,方,波,-,三角波的幅度和频率,-1,(R,4,+RP,1,)C,2,T,4,0,V,o1,dt,=,-1,(R,4,+RP,1,)C,2,T,4,实际上，三角波的幅度,也就是比较器的,门限电压,V,ia+,V,o2m,=V,ia+,=,R,2,R,3,+RP,1,Vcc,=,-,Vcc,(R,4,+RP,1,)C,2,T,4,V,o2m,=,Vcc,方,波,-,三角波,的波频率为：,=,R,3,+RP,1,4R,2,(R,4,+RP,2,)C,2,R,2,R,3,+RP,1,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,RP,1,，可调节三角波,的幅度，但会影响其频率；,3,、调节电位器,RP,2,，可调节方,波,-,三角波,的频率，但不会影,响,其幅度，可用,RP,2,实现频率微调，而用,C,2,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,A,1,、,A,2,的基准电压,2,V,CC,/3,、,V,CC,/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,I,A,、,I,B,的大小由外接电阻决定，当,I,A,=,I,B,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,R,1,与电位器,RP,1,用来确定,脚的直流电位,V,8,，通常取,V,8,2/3,V,CC,。,V,8,越高，,I,A,、,I,B,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),。,RP,1,可调节的频率范围为,20Hz20kHz,。,图,3.4.8 ICL8038,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,1Hz10Hz,10Hz100Hz,1001KHz,1KHz10KHz,10KHz100KHz,100KHz1MHz,.,输出电压,一般指输出波形的峰,-,峰值，即,V,p-p,=2V,m,.,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,t,r,，一般要求,t,r,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,1Hz10Hz,10Hz100Hz;,输出电压,方波,V,p-p,24V,，三角波,V,p-p,=8V,，,正弦波,V,p-p,1V,。,采用如图,3.4.9,所示电路，其中运算放大器,A,1,与,A,2,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,+,V,CC,=+12V,，,V,EE,=,12V,。,波形特性,方波,t,r,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,A,1,与积分器,A,2,的元件参数计算如下：,由式,(3-4-8),得,当,1Hz,f,10Hz,时，取,C,2,=10,F,，,R,4,=5.1k,，,RP,2,=100k,；,当,10Hz,f,100Hz,时，取,C,2,=1,F,，以实现频率波段的转,换,；,R,4,及,RP,2,的取值不变。取平衡电阻,R,5,=10k,。,R2,Vcc,R,3,+RP,1,=,V,o2m,=,4,12,=,13,取,R,2,=10k,，取,R,3,=20k,RP,1,=47k,平衡电阻,R,1,=R,2,/(R,3,+RP,1,),10k,由输出频率的表达式,(3-4-9),得,R,4,+RP,2,=,R,3,+RP,1,4 R,2,C,2,三角波,正弦波电路的参数选择原则是：,隔直电容,C,3,、,C,4,、,C,5,要取得较大，因为输出频率很低，取,C,3,=C,4,=C,5,=470,f,，滤波电容,C,6,的取值视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则,C,6,一般为几十皮法至,0.1,F,。,R,E2,=100,与,RP,4,=100,相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性,曲线、调整,RP,4,及电阻,R,*,来确定。,五、电路安装与调试技术,1,、,方,波,-,三角波发生器的,装调,由于比较器,A,1,与积分器,A,2,组成正反馈闭环电路，同时输出方波与,三角波，故这两个单元电路需同时安装。要注意的是，在安装电,位器,RP,1,与,RP,2,之前，先将其调整到设计值，否则电路可能会不起,振。如果电路接线正确，则在接通电源后，,A,1,的输出,v,o1,为方波,，,A,2,的输出,v,o2,为三角波，在低频点时，微调,RP,1,，使三角波的输,出幅度满足设计指标要求，再调节,RP,2,，则输出频率连续可变。,3,、误差分析,方波输出电压,V,p-p,2V,CC,，是因为运放输出级由,NPN,型或,PNP,型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两,管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波,输出幅度小于电源电压值。,方波的上升时间,t,r,，主要受运放转换速率的限制。如果输出,频率较高，则可接入加速电容,C,1,(C,1,一般为几十皮法,),。可用示,波器,(,或脉冲示波器,),测量,t,r,。,六、设计任务,:,设计课题：方波,三角波函数发生器设计,已知条件,双运放,A747,一只（或,m,A741,两只）,性能指标要求,频率范围,100Hz1kHz,，,1kHz10kHz,输出电压,方波,V,p-p,24V,，三角波,V,p-p,=6V,，,波形特性,方波,t,r,30,s(1kHz,，最大输出时,),，,三角波,2%,。,设计步骤与要求,参考书。,实验仪器设备,。,