放大電路設(shè)計(jì)

jlx@基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)賈立新課程簡介本課程是針對自動化、電子信息本科專業(yè)開設(shè)的一門大類基礎(chǔ)課程。它是一門理論聯(lián)系實(shí)際、綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐課程，是對模電、數(shù)電、EDA技術(shù)、單片機(jī)原理等基礎(chǔ)課程知識的拓寬、提高和綜合應(yīng)用。掌握模擬集成電路、CPLD/FPGA、SOC單片機(jī)的等常用集成器件的工作原理和應(yīng)用，掌握常用單元電路的工作原理和設(shè)計(jì)方法，掌握運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具完成綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法，掌握電子設(shè)計(jì)文檔的規(guī)范化寫作方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力和相互協(xié)作的精神。授課計(jì)劃電子系統(tǒng)的組成與類型由電子元器件或部件組成的能夠產(chǎn)生、傳輸或處理電信號及信息的客觀實(shí)體都可以稱為電子系統(tǒng)。根據(jù)電子系統(tǒng)的功能不同，可以分為以下幾種類型：（1）測控系統(tǒng)；（2）測量系統(tǒng)；（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；（4）通信系統(tǒng)；（5）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（6）家電系統(tǒng)。電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程確定設(shè)計(jì)任務(wù)總體設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試整機(jī)聯(lián)調(diào)資料整理1.1運(yùn)算放大器的模型

運(yùn)算放大器構(gòu)成信號的產(chǎn)生、信號的變換、信號處理等各種各樣的模擬基本單元。

第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.理想運(yùn)算放大器的模型

（1）開環(huán)增益AVO＝∞；（2）輸入電阻ri=∞

；（3）輸出電阻ro=0；（4）頻帶寬度△f=∞；（5）共模擬制比KCMR=∞；（6）失調(diào)漂移、內(nèi)部噪聲均為0。2.實(shí)際運(yùn)算放大器的模型

（1）差分輸入電阻ri；（2）電壓增益AVO；（3）輸出電阻rO；（4）差分輸入電壓vD=vP-vN（5）單位增益帶寬。741運(yùn)算放大器的rd=2MΩ，AVO=200V/mV，ro=75Ω。

1.比例放大器Avf=vo/vi=-R2/R11.2用集成運(yùn)放構(gòu)成的典型放大電路2.同相放大器3.加法電路

加法電路的應(yīng)用——D/A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出

D/A轉(zhuǎn)換器單極性和雙極性輸出工作波形

4.基本差分放大電路（1）差模信號和共模信號

很多傳感器的輸出信號既有差模信號，又有共模信號。

vd表示差模電壓，它是有用信號。vC表示共模電壓，它攜帶的信號對測量沒有用處，且會降低測量精度。

對于這種信號一般采用差分放大電路進(jìn)行放大。

（2）基本差分放大電路的原理當(dāng)Rf=RF，R1=R2

時(shí)，（3）專用差分放大器-IN132在實(shí)際使用中，差分放大電路的電阻參數(shù)很難完全匹配，導(dǎo)致共模抑制能力下降，這時(shí)可采用專用差分放大器。5.儀表放大器

基本差分電路缺點(diǎn)：輸入電阻低、增益調(diào)節(jié)不便。儀表放大器可克服上述缺點(diǎn)方案一：采用集成運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器。5.儀表放大器

基本差分電路缺點(diǎn)：輸入電阻低、增益調(diào)節(jié)不便。儀表放大器可克服上述缺點(diǎn)。方案一：采用IN132構(gòu)成的儀表放大器。5.儀表放大器

方案二：采用IN132構(gòu)成的儀表放大器。5.儀表放大器

方案三：采用單片集成儀表放大器——INA333

只需一只外接電阻來調(diào)節(jié)增益；供電電源+1.8V~+5.5V；5.儀表放大器

例：利用電阻電橋測量一個(gè)未知電阻的阻值，電橋電路如圖所示。假設(shè)電阻Rt的變化范圍為2Ω~200Ω。采用儀表放大器設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路，使電阻從2Ω~200Ω變化時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓為0V~2.4V。5.儀表放大器

（1）確定儀表放大器增益電橋輸出的差模信號變化范圍為-24.25mV到24.27mV。

5.儀表放大器

（1）確定儀表放大器增益電橋輸出的差模信號變化范圍為-24.25mV到24.27mV。

當(dāng)RG為2.06kΩ時(shí)，儀表放大器的增益為49.46

5.儀表放大器

（2）確定儀表放大器直流偏移量當(dāng)Rt=2Ω時(shí)，差模信號為-24.25mV調(diào)節(jié)RP2使VREF=1.2V，則當(dāng)Rt=2Ω時(shí)，VO=0V5.儀表放大器

AD620應(yīng)用——心電（EGC）檢測儀1.3集成運(yùn)放的主要參數(shù)

1.輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流

同相輸入端吸收的電流用IP表示，反相輸入端吸收的電流用IN表示將IP和IN的差稱為輸入失調(diào)電流IOS=IP-IN分析：輸入偏置電流和失調(diào)電流對放大電路的影響輸入偏置電流和失調(diào)電流對放大電路的影響令得措施：縮小所有的電阻；選擇一款具有更低IOS值的運(yùn)算放大器2.輸入失調(diào)電壓

將同相輸入端和反相輸入端短接，對于實(shí)際運(yùn)算放大器來說，由于輸入級電路參數(shù)的固有失配，其輸出電壓vo≠0。VOS對電阻反饋運(yùn)算放大器電路的影響

輸出失調(diào)電壓的補(bǔ)償3.開環(huán)帶寬BW和單位增益帶寬GBW

開環(huán)電壓增益從開環(huán)直流增益A0下降3dB時(shí)所對應(yīng)的頻寬稱為開環(huán)帶寬BW

從開環(huán)直流增益到0dB時(shí)所對應(yīng)的頻寬稱為單位增益帶寬GBW。741運(yùn)放的典型值fb=5Hz，ft=200000×5=1MHz。

例：用運(yùn)算放大器741設(shè)計(jì)一個(gè)增益為60dB的音頻放大器，要求帶寬fB≥20kHz。

放大電路增益與帶寬的關(guān)系

fB：放大器帶寬；AF：放大器增益

4．轉(zhuǎn)換速率（SlewingRate，SR）

轉(zhuǎn)換速率也稱壓擺率，其定義是運(yùn)放在額定負(fù)載及輸入階躍大信號時(shí)輸出電壓的最大變化率。

當(dāng)放大器輸出大振幅的高頻信號時(shí)，轉(zhuǎn)換速率對實(shí)際的帶寬起到主要的約束。

fp（max）=SR/（2πVo（max））4．轉(zhuǎn)換速率（SlewingRate，SR）

OPA552的單位增益帶寬GBW為12MHz，SR為24V/μS，用其構(gòu)成放大倍數(shù)為5的反相放大器，其小信號帶寬為12MHz/5=2.4MHz，當(dāng)輸出信號的峰-峰值為10V時(shí)，其fp（max）=SR/（2πVo（max））=764（kHz）1.4集成運(yùn)放的分類與選擇集成運(yùn)放可分為以下幾類：（1）通用型；（2）高阻型；（3）精密型；（4）高速寬帶型；（5）高電壓、高電流型。（1）JFET輸入運(yùn)算放大器——TL082

TL082是低成本、高速、雙JFET輸入運(yùn)算放大器，適用于高速積分電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、采樣保持電路以及低輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置失調(diào)電流、高輸入阻抗等應(yīng)用場合。（1）JFET輸入運(yùn)算放大器——TL082符號參數(shù)測試條件最小典型最大單位VOS輸入失調(diào)電壓Rs=10kΩ，TA=25℃515mVIOS輸入失調(diào)電流TJ=25℃25200pAIB輸入偏置電流TJ=25℃504000pAVCM輸入共模電壓范圍VS=±15V±11-12~+15VRIN輸入電阻TJ=25℃1012ΩVOM最大輸出電壓擺幅VS=±15V，RL=10kΩ±12±13.5VSR壓擺率VS=±15V，TA=25℃813V/μsGBW單位增益帶寬VS=±15V，TA=25℃4MHz（2）超低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器OP07

OP07具有非常低的失調(diào)電壓、非常低的偏置電流和很高的開環(huán)增益。OP07具有很寬的電源電壓范圍±3V~±15V。符號參數(shù)測試條件最小典型最大單位VOS輸入失調(diào)電壓VS=±15V，TA=25℃3075μVIOS輸入失調(diào)電流TA=25℃0.42.8nAIB輸入偏置電流TA=25℃±1.0±3.0nAVCM輸入共模電壓范圍VS=±15V±11-12~+15VRIN輸入電阻TJ=25℃2060MΩIVR輸入電壓范圍±13±14VCMRR共模抑制比VCM=±13V110126dBVOM最大輸出電壓擺幅VS=±15V，RL=10kΩ±12.5±13VSR壓擺率VS=±15V，TA=25℃0.10.3V/μsGBW單位增益帶寬VS=±15V，TA=25℃0.40.6MHz（2）超低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器OP07

（3）低成本、軌對軌輸出、單電源供電高速運(yùn)算放大器MAX4016符號參數(shù)測試條件最小典型最大單位VOS輸入失調(diào)電壓VS=±15V，TA=25℃420mVIOS輸入失調(diào)電流TA=25℃0.120μAIB輸入偏置電流TA=25℃5.420μARIN輸入電阻差分模式-1V≤VIN≤+1V70kΩ共模模式-0.2V≤VCM≤+2.75V3MΩCMRR共模抑制比VEE-0.2V≤VCM≤VCC-2.25V70100dBVOM最大輸出電壓擺幅RL=150ΩVCC-VOH0.3VVOL-VEE0.3SR壓擺率VOUT=2V階躍600V/μsGBW單位增益帶寬VOUT=20mVP-P150MHz（4）高電壓、低失真電流反饋運(yùn)算放大器——THS3092符號參數(shù)測試條件最小典型最大單位小信號帶寬G=2，RF=1.21kΩ，VO=200mVPP210MHz大信號帶寬G=5，RF=1kΩ，VO=4VPP135MHzSR壓擺率G=5，VO=20V階躍，RF=1kΩ，7300V/μsVOS輸入失調(diào)電壓VCM=0V4mVIOS輸入失調(diào)電流VCM=0V20μAIB輸入偏置電流VCM=0V20μARIN輸入電阻1.3MΩCMRR共模抑制比65dBVOM最大輸出電壓擺幅RL=100Ω±11.8V正確使用集成運(yùn)算放大器（2）輸入保護(hù)電路正確使用集成運(yùn)算放大器（3）供電電源的去耦（4）高速運(yùn)放使用注意事項(xiàng)不要使用面包板，因?yàn)槊姘搴休^大的電感采用表面貼裝元件代替直插元件，以改善高頻特性；避免使用集成電路插座，因?yàn)樗黾蛹纳娙莺碗姼?；PCB板至少采用兩層，過孔盡量少；PCB板的信號線盡量短、盡量直，不采用900轉(zhuǎn)角。

工作頻率0~20kHz,增益在0~80dB步進(jìn)1dB,全頻范圍共模抑制比在80dB以上，可以數(shù)字設(shè)置步進(jìn)，并顯示增益。設(shè)計(jì)練習(xí)——可編程放大器的設(shè)計(jì)思考題要設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)為-10倍的信號放大電路，問如下電路設(shè)計(jì)是否正確：答：理論上Vo=-(R2/R1)Vi=-10Vi，但普通運(yùn)放無法提供R2回路所需的電流，即I2=Vo/R2≈1/10=100mA；改進(jìn)設(shè)計(jì)，將R1、R2分別取為1M和10M，問如下電路設(shè)計(jì)是否正確：答：

R1、R2分別取為1M和10M后，解決了普通運(yùn)放無法提供R2回路所需的電流的問題，但帶來的另一個(gè)問題是：電阻阻值過大時(shí)，其阻值容易受環(huán)境影響，進(jìn)而影響放大電路增益的穩(wěn)定性。

再改進(jìn)設(shè)計(jì)，將R1、R2分別取為1k和10k，并添加條件，輸入為-0.5V~+0.5V變化的信號，問如下電路設(shè)計(jì)是否正確：

答：

輸入Vi和輸出Vo都是雙極性信號，正負(fù)電壓都有可能出現(xiàn)，要求運(yùn)放也是雙極性供電。

再改進(jìn)設(shè)計(jì)，將供電電源改為±5V雙電源供電，問如下電路設(shè)計(jì)是否正確：

答：

電源采用±5V雙電源供電后，輸入Vi沒問題，但輸出Vo將達(dá)不到±5V，會出現(xiàn)削頂（平頂）現(xiàn)象?？筛挠密壍杰墸≧ail-to-Rail）運(yùn)放，或改變供電電源的電壓值。再改進(jìn)設(shè)計(jì)，將供電電源改為±12V雙電源供電，并添加條件，如果輸入為頻