《電子技術項目化教程》 課件 項目三 集成運算放大器的設計和測試

項目三

集成運算放大器的設計和測試學習目標：知識目標：了解集成運算放大器的基本組成。理解集成運算放大器的基本工作原理。理解集成運算放大器的基本分析方法。技能目標：能夠識別集成運算放大器的型號，能夠測試集成運算放大器的性能。初步具有排查集成運算放大電路常見故障的能力。2項目背景：前面介紹的電路都是由各種單個元件，如二極管、三極管、電阻、電容、電感等連接而成的電子電路，這種電路稱為分立元件電路。隨著電子技術的發(fā)展，半導體制作工藝不斷地進步，逐漸實現將整個電路中的分立元件制作在一塊硅基片上，構成特定功能的電路，這種電路稱為集成電路(IC)。集成電路按集成度來分，有小規(guī)模(SSI)、中規(guī)模(MSI)、大規(guī)模(LSI)和超大規(guī)模(VLSI)集成電路；按功能分，有數字集成電路和模擬集成電路。集成運算放大器(integratedoperationalamplifier)簡稱集成運放，是模擬集成電路中應用極為廣泛的一類，也是其他各類模擬集成電路應用的基礎。最早集成運放主要用于模擬計算機中，通過改變運算放大器的外接反饋電路和輸入電路的形式來實現數值的加、減、乘、除、微分、積分等計算，故稱為運算放大器?，F在的集成運放廣泛地應用于運算、測量、控制及信號的產生、處理和變換等領域。3任務3.1集成運算放大器的識別與測試任務分析：集成運放是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。它的增益高(可達60～180dB)，輸入電阻大(幾十千歐至百萬兆歐)，輸出電阻低(幾十歐)，而且還具有輸入電壓為零時輸出電壓亦為零的特點，適用于正、負兩種極性信號的輸入和輸出。隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，集成運放的性能不斷改善，種類也越來越多，其應用也遠超過了信號運算的范圍，在電子技術的許多領域都有廣泛的應用。本任務通過認識和檢測集成運放，學習集成運放的組成及性能特點。4任務3.1集成運算放大器的識別與測試知識鏈接：3.1.1集成運算放大器的基本組成3.1.2集成運算放大器的符號3.1.3集成運算放大器的主要性能指標3.1.4集成運算放大器的傳輸特性3.1.5理想集成運算放大器53.1.1集成運算放大器的基本組成集成運放通常包含四個基本組成部分，即輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。如圖所示。6輸入級一般要求差模放大倍數大、輸入電阻高，以便把外加信號盡可能多地吸入電路中去；通常采用具有同相和反相兩個輸入端的高性能差分放大電路實現，從而減少零點漂移，抑制共模信號。中間級主要用于提高電壓增益，要求其有大的電壓放大倍數，一般由一級或兩級有源負載放大器構成，以提高集成運放的輸出功率和帶負載能力。輸出級用于和負載相連，為了提高帶負載能力，要求輸出電阻小。一般采用射極輸出器或互補對稱的輸出電路。偏置電路用于設置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作點，一般由恒流源電路組成。3.1.2集成運算放大器的符號通常采用簡化符號，只畫出同相和反相的兩個輸入端以及一個輸出端。7“-”表示反相輸入端，信號從此輸入端輸入時，在輸出端會得到與輸入端極性相反的信號；“+”表示同相輸入端，信號從此輸入端輸入時，在輸出端會得到與輸入端極性相同的信號。集成運放有同相和反相兩個輸入端，若兩個輸入端上的電壓大小相等、極性相反，則這樣的一對信號稱為差模信號；若兩個輸入端上的電壓大小相等、極性也相同，則稱為共模信號。3.1.3集成運算放大器的主要性能指標

8

93.1.4集成運算放大器的傳輸特性集成運放的傳輸特性是描述輸出電壓與輸入電壓差(同相和反相輸入端的差值)之間的關系。103.1.5理想集成運算放大器

11任務3.1集成運算放大器的識別與測試任務實施：任務目標(1)熟悉集成運放的外形、引腳和使用方法。(2)掌握集成運放的好壞判斷及測試方法。(3)熟悉集成運放性能的測試方法。設備要求(1)直流電源1臺。(2)信號發(fā)生器1臺。(3)示波器1臺。(4)萬用表1只。(5)電阻、電容若干。(6)集成運放芯片F007、A741、LM324各一個。12任務3.1集成運算放大器的識別與測試實施步驟1．認識常用的集成運放型號及引腳利用集成運放芯片實現電路功能，關鍵是能夠正確區(qū)分集成運放的各引腳，并熟悉不同型號集成運放的特點和引腳排列。集成運放的封裝形式主要為金屬圓殼封裝及雙列直插式封裝。金屬圓殼封裝的引腳有8、10、12三種形式，雙列直插式封裝的引腳有8、14、16三種形式。具體引腳分布如圖3-4所示13圖3-4集成運放封裝形式及引腳分布任務3.1集成運算放大器的識別與測試2．集成運放好壞的簡單測試集成運放工作在線性區(qū)時，需要引入負反饋。此時集成運放具有“虛短”和“虛斷”的特性，可以利用這兩個特性對集成運放進行分析。(1)給集成運放A741同時接正、負直流電源(注意用萬用表分別測量兩路電源為±12V，經檢查無誤后方可接通±12V電源)，如圖3-5所示。(2)分別將同相輸入端或反相輸入端接地，檢測輸出電壓uo是否為uom值(電源電壓為±12V時)，若是，則該器件基本良好，否則說明器件已損壞。將運算放大器的兩個輸入端短路接地，運算放大器的輸出端對地電壓應為零，對正電源端電壓應為12V，對負電源端電壓應為+12V，若數值偏差大，則說明該集成運放已不能正常工作或已損壞。14任務3.1集成運算放大器的識別與測試3．集成運放的參數測試(1)測試集成運放的傳輸特性及輸出電壓的動態(tài)范圍運算放大器輸出電壓的動態(tài)范圍是指在不失真條件下所能達到的最大幅值。為了測試方便，一般情況下將其輸出電壓的最大擺幅VoPP當作運算放大器的最大動態(tài)范圍。其測試電路如圖3-6所示。15任務3.1集成運算放大器的識別與測試(2)測開環(huán)電壓放大倍數Aud。開環(huán)電壓放大倍數是指運算放大器沒有反饋時的差模電壓放大倍數，即運算放大器輸出電壓Vo與差模輸入電壓Vi之比，測試電路如圖3-7所示。Rf為反饋電阻，通過隔直電容和電阻R構成閉環(huán)工作狀態(tài)，同時與R1、R2構成直流負反饋，減少了輸出端的電壓漂移。16任務3.1集成運算放大器的識別與測試(3)測輸入失調電壓Uio。輸入失調電壓是指放大器輸出為零時，在輸入端所必須引入的補償電壓。根據定義，測試電路如圖3-8所示。17任務3.1集成運算放大器的識別與測試(4)測輸入失調電流Iio。輸入失調電流是指輸出端為零電平時，兩輸入端基極電流的差值，用Iio表示。顯然，Iio的存在將使輸出端零點偏離，且信號源阻抗越高，輸入失調電流影響越嚴重。測試電路同圖3-818任務3.1集成運算放大器的識別與測試(5)測共模抑制比KCMR。根據定義，運算放大器的KCMR等于放大器的差模電壓放大倍數Aud和共模電壓放大倍數Auc之比，即19任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試任務分析：集成運放主要有線性和非線性兩種工作狀態(tài)。線性工作狀態(tài)可以用于運算放大；非線性工作狀態(tài)可以用于電壓比較。本任務通過介紹集成運放的線性應用和非線性應用，學習集成運放的基本應用電路。20任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試知識鏈接：3.2.1集成運算放大器的線性應用3.2.2集成運算放大器的非線性應用213.2.1集成運算放大器的線性應用運算電路主要有比例運算、加減運算、微積分運算等。在運算電路中，輸入信號作為自變量，輸出信號作為函數，當輸入信號變化時，輸出信號按運算規(guī)律發(fā)生相應變化。1．比例運算電路1)反相比例運算電路反相比例運算電路如圖3-10所示。22圖3-10反相比例運算電路3.2.1集成運算放大器的線性應用因為有負反饋，集成運放工作在線性區(qū)，可以利用“虛短”和“虛斷”的概念進行電路分析。根據“虛短”的概念可得

，因為

通過電阻

接地，故

。由此可見，運放的反相輸入端雖然沒有接地，但具有和地相同的電位，也叫“虛地”。根據“虛斷”的概念可得

。由基爾霍夫電流定律可知

，即

，整理可得

。由此可見，輸出電壓和輸入電壓之間是成反比例的，因此，此電路為反相比例運算電路。當

時，輸出電壓和輸入電壓大小相等，相位相反，此時電路為反相器。反相比例運算電路的電壓放大倍數為

。233.2.1集成運算放大器的線性應用2)同相比例運算電路同相比例運算電路如圖3-11所示。輸入信號ui通過電阻R0加到集成運放的同相輸入端，Rf為反饋電阻，將輸出電壓uo反饋到反相輸入端。根據反饋組態(tài)的判別方法，可判斷出該電路的反饋方式為電壓串聯負反饋。反相輸入端經電阻R1接地。24圖3-11同相比例運算電路3.2.1集成運算放大器的線性應用因為有負反饋，集成運放工作在線性區(qū)，可以利用“虛短”和“虛斷”的概念進行電路分析。根據“虛短”的概念可得

，因為通過電阻R0接ui，故

。根據“虛斷”的概念可得

。由基爾霍夫電流定律可知

，即

，整理可得

。由此可見，輸出電壓和輸入電壓之間是成正比例的，因此，此電路為同相比例運算電路。同相比例運算電路的電壓放大倍數為

。在圖3-11電路中，將Rf短路(Rf=0)或者R1斷開(

)，

=1。輸出電壓和輸入電壓大小相等，相位相同，此時電路為電壓跟隨器，如圖3-12所示。253.2.1集成運算放大器的線性應用2．加減運算電路1)加法運算電路(1)反相加法運算電路。反相加法運算電路如圖3-13所示。在反相比例運算電路中增加一個輸入端即可構成反相加法運算電路。26圖3-13反相加法運算電路3.2.1集成運算放大器的線性應用利用“虛短”和“虛斷”的概念進行電路分析。根據“虛短”的概念可得

，因為通過電阻R0接地，故。根據“虛斷”的概念可得

。由基爾霍夫電流定律可知

，即

，整理可得

。當

時，輸出電壓

，即輸出電壓等于輸入電壓之和，負號表示反相。故該電路稱為反相加法運算電路。273.2.1集成運算放大器的線性應用(2)同相加法運算電路。同相加法運算電路如圖3-14所示。在同相比例運算電路中增加一個輸入端即可構成同相加法運算電路。28圖3-14同相加法運算電路3.2.1集成運算放大器的線性應用利用“虛短”和“虛斷”的概念進行電路分析。根據“虛斷”的概念可得

。對于反相輸入端，由基爾霍夫電流定理可知

，即

，整理可得

；對于同相輸入端，由基爾霍夫電流定律可知

，即

，整理可得

。根據“虛短”的概念可得

，即

，整理可得

。當

時，

，即輸出電壓等于輸入電壓之和。故該電路稱為同相加法運算電路。293.2.1集成運算放大器的線性應用3．減法運算電路減法運算電路如圖3-15所示。兩個輸入信號分別加在集成運放的反相輸入端和同相輸入端，相當于將反相比例運算電路和同相比例運算電路組合起來。303.2.1集成運算放大器的線性應用利用“虛短”和“虛斷”的概念進行電路分析。根據“虛斷”的概念可得

。對于反相輸入端，由基爾霍夫電流定律可知

，即

，整理可得

；對于同相輸入端，由基爾霍夫電流定律可知

，即

，整理可得

。根據“虛短”的概念可得

，即

，整理可得

。當

時，

；當

時，

；當

時，

。由此可見輸出電壓與輸入電壓之差成比例。故該電路稱為減法運算電路。313.2.1集成運算放大器的線性應用利用加法運算電路和反相比例運算電路也可以構成減法運算電路，如圖3-16所示。

反相比例運算電路輸出信號為

，加法運算電路輸出信號為

。32圖3-16加法運算電路和反相比例運算電路構成的減法運算電路3.2.1集成運算放大器的線性應用4．微積分運算電路積分運算和微分運算互為逆運算。利用積分電路和微分電路可以實現方波、三角波之間的波形變換。1)積分運算電路積分運算電路如圖3-17所示。由圖可見，將反相比例運算電路中的反饋電阻換成電容，即可構成積分運算電路。333.2.1集成運算放大器的線性應用利用“虛短”和“虛斷”的概念進行電路分析。根據“虛短”的概念可得

，因為u+通過電阻

接地，故

。根據“虛斷”的概念可得

，由基爾霍夫電流定律可知

。假設t=0時，電容上的初始電壓為0，則接入輸入信號

時有

，

。由此可見，輸出電壓為輸入電壓對時間的微分，負號表示相位是相反的。343.2.2集成運算放大器的非線性應用當集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)或者引入正反饋時，它工作在非線性區(qū)。此時集成運放輸入輸出關系滿足：當時，為正向最大電壓；當時，為負向最大電壓。集成運放非線性應用可以用于構成電壓比較器。電壓比較器是將輸入的模擬信號與一個基準電壓進行比較，根據比較結果輸出一定的高低電平。353.2.2集成運算放大器的非線性應用1．簡單電壓比較器簡單電壓比較器電路如圖3-19(a)所示，參考電壓

可以是正值也可以是負值。當

，即

時，

為高電平輸出；當

，即

時，

為低電平輸出。得到的電壓傳輸特性如圖3-19(b)所示。當UREF=0，輸入電壓ui每次過零時，輸出電壓就要產生跳變。這時比較器稱為過零比較器，如圖3-20所示。該電路既可以用作零電平檢測器，也可以用于波形轉換，將正弦波轉變?yōu)榉讲ā?63.2.2集成運算放大器的非線性應用2．遲滯電壓比較器簡單電壓比較器結構簡單，靈敏度高，但抗干擾能力差。通過引入正反饋的遲滯電壓比較器可以克服抗干擾能力差的問題。圖3-21(a)是遲滯電壓比較器。遲滯電壓比較器有上、下兩個判決門限，可以解決誤判的問題，以此來獲得正確、穩(wěn)定的輸出波形。37任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試任務實施：任務目標(1)能夠用集成運放等元件構成線性應用電路。(2)能夠用集成運放等元件構成非線性應用電路。(3)通過實驗測試和分析，進一步掌握它們的主要特點、性能及輸出電壓與輸入電壓的函數關系。設備要求(1)PC機一臺。(2)Multisim軟件。38任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試1．集成運放線性應用電路測試1)反相比例運算電路(1)打開Multisim軟件，按圖3-22連接仿真測試電路。39任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試(2)反相輸入端接交流正弦信號源，輸出端接示波器A通道，B通道接輸入信號。對示波器時基標度、通道刻度等進行調整，觀察實驗現象并記錄。(3)改變R1、R2、R3的阻值，輸入信號不變。觀察示波器中放大倍數與電阻阻值之間的關系，填入表3-4中。結論：當R1變大時，放大倍數變

；當R2變大時，放大倍數變

；當R3變大時，放大倍數變

。同樣的方法可以驗證同相比例運算電路輸出電壓與輸入電壓的函數關系40任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試2)反相加法運算電路(1)打開Multisim軟件，按圖3-23連接仿真測試電路。(2)反相輸入端接直流信號源，輸出端接萬用表。觀察實驗現象并記錄。同樣的方法可以驗證同相加法運算電路輸出電壓與輸入電壓的函數關系。41任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試3)減法運算電路(1)打開Multisim軟件，按圖3-24連接仿真測試電路。(2)反相輸入端接函數發(fā)生器，函數發(fā)生器輸出1V、500Hz的正弦波信號，示波器A通道接反相輸入端信號，B通道接同相輸入端信號，輸出端接示波器C通道。對示波器時基標度、通道刻度等進行調整，觀察實驗現象并記錄。結論：輸出電壓幅值與輸入電壓幅值相比

(基本為0/基本相等/要大得多)，該運算電路

(能/不能)實現輸入電壓相減。42任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試4)積分運算電路(1)打開Multisim軟件，按圖3-25連接仿真測試電路。(2)反相輸入端接函數發(fā)生器，函數發(fā)生器輸出1V、500Hz的方波，輸出端接示波器A通道，B通道接函數發(fā)生器。對示波器時基標度、通道刻度等進行調整，觀察實驗現象并記錄。結論：積分運算電路能實現將方波轉變?yōu)?/p>

。43任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試5)微分運算電路(1)打開Multisim軟件，按圖3-26連接仿真測試電路。(2)反相輸入端接函數發(fā)生器，函數發(fā)生器輸出1V、500Hz的方波，輸出端接示波器A通道，B通道接函數發(fā)生器。對示波器時基標度、通道刻度等進行調整，觀察實驗現象并記錄。44任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試2．集成運放非線性應用電路測試1)過零比較器(1)打開Multisim軟件，按圖3-27連接仿真測試電路。(2)反相輸入端接函數發(fā)生器，函數發(fā)生器輸出1V、500Hz的正弦波，示波器A通道接反相輸入端信號，輸出端接示波器B通道。對示波器時基標度、通道刻度等進行調整，觀察實驗現象并記錄。45任務3.2集成運算放大器基本應用電路的測試2)遲滯電壓比較器(1)打開Multisim軟件，按圖3-28連接仿真測試電路。(2)集成運放引入了正反饋R1，參考電壓接地為零，輸入信號連接函數發(fā)生器，函數發(fā)生器輸出1V、500Hz的正弦波。示波器A通道接反相輸入端信號，輸出端接示波器B通道。對示波器時基標度、通道刻度等進行調整，用示波器B/A擋測量實驗電路的電壓傳輸特性，觀察實驗現象并記錄。(3)調整可變電阻R5的阻值，觀察遲滯電壓比較器傳輸特性變化。46實訓3集成運算放大器應用電路設計和測試實訓3.1設計指標(1)掌握集成運放的工作原理和基本特性。(2)了解集成運放綜合應用電路的分析設計方法。(3)熟悉集成運放在模擬運算方面的應用。(4)掌握集成運算放大電路的設計方法和調試技巧。(5)能夠通過測試論證設計的正確性，會根據電路原理及測試結果分析故障產生的原因。實訓3.2設計任務用集成運放設計一個電路，能夠實現的運算功能。要求：(1)為交流信號；(2)反饋電阻。47實訓3.3設計要求(1)所設計的電路能滿足設計要求。(2)熟悉仿真軟件Multisim的使用方式。(3)繪制設計電路圖。(4)實現仿真測試。實訓3.4設計步驟(1)選用集成運放芯片LM324或A741，查閱相關技術資料，熟悉基本應用電路。(2)確定電路功能實現方式(可采用單運放的差動輸入減法電路或雙運放的反相求和電路)，進行參數計算和元件選擇，繪制原理框圖。(3)打開Multisim軟件，按繪制的原理圖連接仿真測試電路，可參照圖3-29。4849實訓3.5電路調試與檢測(1)改變電源電壓、輸入信號頻率等參數，逐漸調整輸入電壓，使輸出電壓波形出現最大不失真。(2)仿真運行時，通過示波器記錄結果，驗證是否能夠實現功能。50思考與練習3一、填空題1．集成運放內部電路通常包括四個基本組成部分，即________、________、________和________。2．為提高輸入電阻，減小零點漂移，通用集成運放的輸入級大多采用________電路；為了減小輸出電阻，輸出級大多采用________電路。3．在差分放大電路發(fā)射極接入長尾電阻或恒流三極管后，它的差模放大倍數Aud將________，而共模放大倍數Auc將________，共模抑制比KCMR將________。