運(yùn)算放大器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)與制作

1、 運(yùn)算放大器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)與制作(一） 運(yùn)算放大器1.原理(a)反相求和電路其電路圖如圖6所示（輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）: 圖6 反相求和電路圖其中電阻R'滿足：它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為： 它的特點(diǎn)與反相比例電路相同，可以十分方便的通過改變某一電路的輸入電阻，來改變電路的比例關(guān)系，而不影響其它支路的比例關(guān)系。(b)同相求和電路 其電路如圖7所示（輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）:圖7 同向求和電路圖它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：它的調(diào)節(jié)不如反相求和電路，而且它的共模輸入信號(hào)大，因此它的應(yīng)用不很廣泛。(c)和差電路其電路圖如圖8所示,此電路的功能是對Ui1、Ui2進(jìn)行反相

2、求和，對Ui3、Ui4進(jìn)行同相求和，然后進(jìn)行的疊加即得和差結(jié)果。圖8 和差電路圖它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：由于該電路用一只集成運(yùn)放，它的電阻計(jì)算和電路調(diào)整均不方便，因此我們常用二級集成運(yùn)放組成和差電路。它的電路圖如圖9所示:圖9 二級集成和差電路圖它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：        它的后級對前級沒有影響（采用理想的集成運(yùn)放），它的計(jì)算十分方便。(3) 積分電路和微分電路(a)積分電路  其電路圖如圖10所示：它是利用電容的充放電來實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算及產(chǎn)生三角波形等。 圖10 積分電路圖它

3、的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：其中: 表示電容兩端的初始電壓值.如果電路輸入的電壓波形是方形，則產(chǎn)生三角波形輸出。(b)微分電路微分是積分的逆運(yùn)算，它的輸出電壓與輸入電壓呈微分關(guān)系。電路如圖11所示:圖11 微分電路圖它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：(4) 對數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路(a)對數(shù)運(yùn)算電路對數(shù)運(yùn)算電路就是是輸出電壓與輸入電壓呈對數(shù)函數(shù)。我們把反相比例電路中Rf用二極管或三級管代替級組成了對數(shù)運(yùn)算電路。電路圖如圖12所示：圖12 對數(shù)運(yùn)算電路它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為（也可以用三級管代替二極管）:(b)指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路是對數(shù)運(yùn)算的逆運(yùn)算,將指數(shù)運(yùn)算電路的二極管(三級管)與電阻R對換即可。電路

4、圖如13所示:圖13 指數(shù)運(yùn)算電路它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：利用對數(shù)和指數(shù)運(yùn)算以及比例，和差運(yùn)算電路，可組成乘法或除法運(yùn)算電路和其它非線性運(yùn)算電路。(二)無源濾波電路濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號(hào)通過；而使規(guī)定范圍之外的信號(hào)不能通過。濾波電路的分類：*低通濾波器：允許低頻率的信號(hào)通過，將高頻信號(hào)衰減；*高通濾波器：允許高頻信號(hào)通過，將低頻信號(hào)衰減；*帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，將此頻帶外的信號(hào)衰減；*帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過，允許此頻帶以外的信號(hào)衰減； 僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成的濾波電路，為無源濾波電路。它有很大的缺陷如：電路小，能力差等。為此

5、我們要學(xué)習(xí)有源濾波電路。（三）有源濾波電路(1)一階有源低通濾波器其電路如圖14-a所示，它是由一級RC低通電路的輸出再接上一個(gè)同相輸入比例放大器構(gòu)成, 幅頻特性如圖14-b所示, 通帶以外以/十倍頻衰減:圖14-a 一階有源低通濾波電路 圖14-b 一階有源低通幅頻特性 (2)二階有源濾波電路為了使輸出電壓以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。二階有源濾波器的典型結(jié)構(gòu)如圖15所示：為了使輸出電壓以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。二階有

6、源濾波器的典型結(jié)構(gòu)如圖15所示： 圖15 二階有源濾波器典型結(jié)構(gòu)2. 啟動(dòng)Multisim10，按圖16在工作區(qū)搭建二階有源低通濾波器。3.4.啟動(dòng)仿真，點(diǎn)擊波特圖儀，可以看見二階有源低通濾波器的幅頻特性如圖17所示。運(yùn)算放大器 - 電路結(jié)構(gòu)運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)有三種主要形式。一是單端輸入、單端輸出，斬波穩(wěn)定式直流放大器等采取這種形式。二是差分輸入、單端輸出，大多數(shù)集成運(yùn)算放大器采取這種形式。三是差分輸入、差分輸出，直流放大器和部分集成放大器采取這種形式。頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器是多級放大電路，通常在較高的頻率上仍具有大于1的增益，而內(nèi)部電路產(chǎn)生的附加相移卻已達(dá)到或超過180°。因而，在反

7、饋運(yùn)用條件下會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。采用頻率補(bǔ)償，即采用附加電容、附加電阻等元件可減小相移，使放大器穩(wěn)定。最常用的補(bǔ)償方法是單極點(diǎn)補(bǔ)償。它是在高增益中間放大級加反饋電容。頻率補(bǔ)償所用的電容應(yīng)滿足下述條件：Cfgm/2fu式中g(shù)m是差動(dòng)輸入級的跨導(dǎo)，fu是放大器的穩(wěn)定單位增益頻帶寬度。對于通用型運(yùn)算放大器來說，fu約為1兆赫，gm通常設(shè)計(jì)得很小，例如200微歐，補(bǔ)償電容只需要數(shù)十皮法，它可以和放大器制做在同一芯片上。 大信號(hào)響應(yīng)在大的輸入信號(hào)脈沖驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)算放大器的輸出電壓隨時(shí)間變化的最大速率稱為電壓擺率，通常用符號(hào)SR表示。因?yàn)椴顒?dòng)輸入級被驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)時(shí)，它提供給補(bǔ)償電容的充電電流與允許的放電電流不

8、能超過輸入級偏置電流I，因此SRI/Cf(2)大多數(shù)運(yùn)算放大器的電壓擺率在1伏微秒以下，然而在某些改進(jìn)的設(shè)計(jì)中電壓擺率已達(dá)到100伏微秒以上。 運(yùn)算放大器應(yīng)用電路介紹運(yùn)放基礎(chǔ)知識(shí)1 雙電源供電和單電源供電 所有的運(yùn)算放大器都有兩個(gè)電源引腳，一般在資料中，它們的標(biāo)識(shí)是VCC和VCC，但是有些時(shí)候它們的標(biāo)識(shí)是VCC和GND。這是因?yàn)橛行?shù)據(jù)手冊的作者企圖將這種標(biāo)識(shí)的差異作為單電源運(yùn)放和雙電源運(yùn)放的區(qū)別。但是，這并不是說他們就一定要那樣使用他們可能可以工作在其他的電壓下。在運(yùn)放不是按默認(rèn)電壓供電的時(shí)候，需要參考運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊，特別是絕對最大供電電壓和電壓擺動(dòng)說明。 絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計(jì)者都知道怎么

9、在雙電源電壓的條件下使用運(yùn)算放大器，比如圖一左邊的那個(gè)電路，一個(gè)雙電源是由一個(gè)正電源和一個(gè)相等電壓的負(fù)電源組成。一般是正負(fù)15V，正負(fù)12V和正負(fù)5V也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負(fù)電壓的擺動(dòng)幅度極限Vom以及最大輸出擺幅。 單電源供電的電路(圖一中右)運(yùn)放的電源腳連接到正電源和地。 圖一 正電源引腳接到VCC，地或者VCC引腳連接到GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運(yùn)放的輸入引腳上，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓也是該虛地電壓，運(yùn)放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vom 之內(nèi)。有一些新的運(yùn)放有兩個(gè)不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊中會(huì)特別分別指明V

10、oh 和Vol 。需要特別注意的是有不少的設(shè)計(jì)者會(huì)很隨意的用虛地來參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應(yīng)用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設(shè)計(jì)者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來隔離虛地和地之間的直流電壓。 通常單電源供電的電壓一般是5V，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓擺幅會(huì)更低。另外現(xiàn)在運(yùn)放的供電電壓也可以是3V 也或者會(huì)更低。出于這個(gè)原因在單電源供電的電路中使用的運(yùn)放基本上都是RailToRail 的運(yùn)放，這樣就消除了丟失的動(dòng)態(tài)范圍。需要特別指出的是輸入和輸出不一定都能夠承受RailToRail 的電壓。雖然器件被指明是軌至軌(RailToRail)的，如果運(yùn)放的輸出或者輸入不支持軌至軌，接近輸

11、入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考數(shù)據(jù)手冊是否輸入和輸出是否都是軌至軌。這樣才能保證系統(tǒng)的功能不會(huì)退化，這是設(shè)計(jì)者的義務(wù)。 2 虛地單電源工作的運(yùn)放需要外部提供一個(gè)虛地，通常情況下，這個(gè)電壓是VCC/2，圖二的電路可以用來產(chǎn)生VCC/2的電壓，但是他會(huì)降低系統(tǒng)的低頻特性。圖二 R1 和R2 是等值的，通過電源允許的消耗和允許的噪聲來選擇，電容C1 是一個(gè)低通濾波器，用來減少從電源上傳來的噪聲。在有些應(yīng)用中可以忽略緩沖運(yùn)放。在下文中，有一些電路的虛地必須要由兩個(gè)電阻產(chǎn)生，但是其實(shí)這并不是完美的方法。在這些例子中，電阻值都大于100K，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電路圖中

12、均有注明。 3 交流耦合虛地是大于電源地的直流電平，這是一個(gè)小的、局部的地電平，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)電勢問題：輸入和輸出電壓一般都是參考電源地的，如果直接將信號(hào)源的輸出接到運(yùn)放的輸入端，這將會(huì)產(chǎn)生不可接受的直流偏移。如果發(fā)生這樣的事情，運(yùn)放將不能正確的響應(yīng)輸入電壓，因?yàn)檫@將使信號(hào)超出運(yùn)放允許的輸入或者輸出范圍。解決這個(gè)問題的方法將信號(hào)源和運(yùn)放之間用交流耦合。使用這種方法，輸入和輸出器件就都可以參考系統(tǒng)地，并且運(yùn)放電路可以參考虛地。當(dāng)不止一個(gè)運(yùn)放被使用時(shí)，如果碰到以下條件級間的耦合電容就不是一定要使用：第一級運(yùn)放的參考地是虛地，第二級運(yùn)放的參考第也是虛地，這兩級運(yùn)放的每一級都沒有增益。任何直流偏置在

13、任何一級中都將被乘以增益，并且可能使得電路超出它的正常工作電壓范圍。如果有任何疑問，裝配一臺(tái)有耦合電容的原型，然后每次取走其中的一個(gè)，觀察電工作是否正常。除非輸入和輸出都是參考虛地的，否則這里就必須要有耦合電容來隔離信號(hào)源和運(yùn)放輸入以及運(yùn)放輸出和負(fù)載。一個(gè)好的解決辦法是斷開輸入和輸出，然后在所有運(yùn)放的兩個(gè)輸入腳和運(yùn)放的輸出腳上檢查直流電壓。所有的電壓都必須非常接近虛地的電壓，如果不是，前級的輸出就就必須要用電容做隔離。(或者電路有問題)4 組合運(yùn)放電路在一些應(yīng)用中，組合運(yùn)放可以用來節(jié)省成本和板上的空間，但是不可避免的引起相互之間的耦合，可以影響到濾波、直流偏置、噪聲和其他電路特性。設(shè)計(jì)者通常從

14、獨(dú)立的功能原型開始設(shè)計(jì)，比如放大、直流偏置、濾波等等。在對每個(gè)單元模塊進(jìn)行校驗(yàn)后將他們聯(lián)合起來。 5 選擇電阻和電容的值每一個(gè)剛開始做模擬設(shè)計(jì)的人都想知道如何選擇元件的參數(shù)。電阻是應(yīng)該用1 歐的還是應(yīng)該用1 兆歐的？一般的來說普通的應(yīng)用中阻值在K 歐級到100K 歐級是比較合適的。高速的應(yīng)用中阻值在100 歐級到1K 歐級，但他們會(huì)增大電源的消耗。便攜設(shè)計(jì)中阻值在1 兆級到10 兆歐級，但是他們將增大系統(tǒng)的噪聲。用來選擇調(diào)整電路參數(shù)的電阻電容值的基本方程在每張圖中都已經(jīng)給出。如果做濾波器，電阻的精度要選擇1 E 96系列(參看附錄A)。一但電阻值的數(shù)量級確定了，選擇標(biāo)準(zhǔn)的E12系列電容。用E24系列電容用來做參數(shù)的調(diào)整，但是應(yīng)該盡量不用。用來做電路參數(shù)調(diào)整的電容不應(yīng)該用5的，應(yīng)該用1。 6 放大電路放大電路有兩個(gè)基本類型：同相放大器和反相放大器。他們的交流耦合版本如圖三所示。 對于交流電路，反向的意思是相角被移動(dòng)180度。這種電路采用了耦合電容 Cin 。Cin被用來阻止電路產(chǎn)生直流放大，這