電子技術項目教程12集成運算放大器的認識.ppt

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電子技術項目教程,主編：徐超明李珍副主編：姚華青王平康章青松,2019/12/9,1,知識目標：了解集成運放的電路結構，熟知集成運放降低零點漂移的基本方法。掌握集成運放組成的三種輸入形式的放大器及信號運算電路的結構特點和主要性能。掌握區(qū)分運放工作在不同區(qū)域的方法。能按照輸出電壓與輸入電壓的關系要求，設計集成運放應用電路，并確定電阻的阻值。,項目3信號產(chǎn)生電路的設計與制作,2019/12/9,2,知識目標：掌握典型三角波、方波產(chǎn)生應用電路。了解振蕩器的功能、電路結構、振蕩條件。熟知LC振蕩的電路組成、理解電路工作原理，會判別電路是否振蕩。了解石英晶體振蕩電路的基本形式，理解基本工作原理。掌握函數(shù)產(chǎn)生器8038的功能及其應用。,項目3信號產(chǎn)生電路的設計與制作,2019/12/9,3,技能目標：掌握利用運放工作在不同區(qū)域的特點分析運放應用電路的方法。能正確識讀集成運放的引腳。會用電阻測量法或電壓測量法判斷集成運放質量好壞。初步具有排除集成運放常見應用電路故障的能力。練習識讀特色信號產(chǎn)生電路實例。會用示波器觀察振蕩波形的頻率和幅度；掌握振蕩電路頻率調整方法。會用集成函數(shù)產(chǎn)生器8038設計實用信號產(chǎn)生電路，并掌握調試方法。,項目3信號產(chǎn)生電路的設計與制作,2019/12/9,4,工作任務：比例運算電路制作與測試。三角波、方波發(fā)生器設計與制作。函數(shù)信號發(fā)生器設計與制作。,項目3信號產(chǎn)生電路的設計與制作,2019/12/9,5,3.1集成運算放大器的認識3.1.1集成運算放大器的基本組成3.1.2集成運算放大器的種類3.1.3集成運算放大器的主要性能指標3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,實訓任務3.1集成運算放大器的認識,2019/12/9,6,集成電路是一種集成化的半導體器件，即以半導體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場效應管、二極管、電阻等元件及它們之間的連線所組成的完整電路制作在一起，然后封裝在一個外殼內，成為一個不可分的固定組件，使之具有特定功能。,實訓任務3.1集成運算放大器的認識,2019/12/9,7,圓形式雙列直插式單列扁平式單列直插式扁平式圖4-1集成電路封裝形式,集成運算放大電路是一種雙端輸入、單端輸出，具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗的多級直接耦合放大電路。早期，運放主要用來完成模擬信號的求和、微分和積分等運算，故稱為運算放大器。現(xiàn)在，運放的應用已遠遠超過運算的范圍，它在通信、控制和測量等設備中得到廣泛應用。,實訓任務3.1集成運算放大器的認識,2019/12/9,8,集成運放可以有同相輸入、反相輸入及差動輸入三種輸入方式。,集成電路（英文簡稱IC）是60年代初發(fā)展起來的一種新型半導體器件。集成電路特點：體積小，密度大、功耗低、引線短、外接線少，電子電路的可靠性與靈活性，組裝和調整工作量少，成本低。集成運算放大器內部結構通常包含四個基本組成部分：輸入級、中間級、輸出級以及偏置電路。,3.1.1集成運算放大器的基本組成,2019/12/9,9,輸入級常利用差動放大電路的對稱特性來提高整個電路的共模抑制比和電路性能；中間級的主要作用是提高電壓增益，一般由多級放大電路組成；輸出級常用電壓跟隨器或互補對稱功率放大電路，以降低輸出電阻，提高帶負載能力；偏置電路為各級放大電路提供合理的偏置電流。,3.1.1集成運算放大器的基本組成,2019/12/9,10,1.通用型運算放大器通用型運算放大器是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。常見的型號有μA741、LM386、LM324等。2.高阻型運算放大器高阻型運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小。常使用場效應管作為運算放大器的差分輸入級，使其不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但該類運算放大器輸入失調電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。,3.1.2集成運算放大器的種類,2019/12/9,11,3.低溫漂型運算放大器低溫漂型運算放大器具有失調電壓小且溫度的變化影響小特點，主要應用在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。4.高速型運算放大器高速型運算放大器的主要特點是具有較高的轉換速率和較寬的頻率響應，主要應用于快速A/D和D/A轉換器、視頻放大器等器件中。常見的運放有LM318、μA715等。,3.1.2集成運算放大器的種類,2019/12/9,12,5.低功耗型運算放大器電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大，必須用低電源電壓供電的低功率消耗運放，這類運放TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為2V～18V，消耗電流為50～250μA。6.高壓大功率型運算放大器運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達150V，μA791集成運放的輸出電流可達1A。,3.1.2集成運算放大器的種類,2019/12/9,13,1.開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud其數(shù)值很高，一般約為104～107。該值反映了輸出電壓U0與輸入電壓U＋和U－之間的關系。2.差模輸入電阻rid運放的差動輸入電阻很高，一般在幾十千歐至幾十兆歐。3.輸出電阻ro由于運放總是工作在深度負反饋條件下，因此其閉環(huán)輸出電阻很低，約在幾十歐至幾百歐之間。,3.1.3集成運算放大器的主要性能指標,2019/12/9,14,4.最大共模輸入電壓Uicmax指運放兩個輸入端能承受的最大共模信號電壓。超出這個電壓時，運放的輸入級將不能正常工作或共模抑制比下降，甚至造成器件損壞。5.輸入失調電壓UIO指為使輸出電壓為零而在輸入端加的補償電壓，其大小反映了電路的不對稱程度和調零的難易。6.共模抑制比KCMR反映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力。其定義為差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)的比值。KCMR越大越好。,3.1.3集成運算放大器的主要性能指標,2019/12/9,15,1.集成運放的選擇在沒有特殊要求的場合，盡量選用通用型集成運放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當一個系統(tǒng)中使用多個運放時，盡可能選用多運放集成電路，例如LM324、LF347等都是將四個運放封裝在一起的集成電路。實際選擇集成運放時，除性能參數(shù)要考慮之外，還應考慮其他因素。例如信號源的性質，是電壓源還是電流源；負載的性質，集成運放輸出電壓和電流的是否滿足要求；環(huán)境條件,集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求等。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,16,2.集成運放參數(shù)的測試以μA741為例，其管腳排列如圖3.4（a）所示。其中2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端，7腳接正電源15V，4腳接負電源-15V，6腳為輸出端，1腳和5腳之間應接調零電位器。μA741的開環(huán)電壓增益Aud約為94dB(5104倍)。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,17,用萬用表估測μA741的放大能力時，需接上15V電源。萬用表撥至50V擋。,3.集成運放使用注意事項1）集成運放的電源供給方式集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式，對輸入信號的要求是不同的。（1）對稱雙電源供電方式運算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源（+E）與負電源（-E）分別接于運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號源直接接到運放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。（2）單電源供電方式單電源供電是將運放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運放內部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點，在運放輸入端一定要加入一直流電位。此時運放的輸出是在某一直流電位基礎上隨輸入信號變化。靜態(tài)時，運算放大器的輸出電壓近似為VCC/2，為了隔離掉輸出中的直流成分要接入電容。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,18,3.集成運放使用注意事項2）集成運放的調零問題由于集成運放的輸入失調電壓和輸入失調電流的影響，當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度，要求對失調電壓和失調電流造成的誤差進行補償，這就是運算放大器的調零。常用的調零方法有內部調零和外部調零，對于沒有內部調零端子的集成運放，只有采用外部調零方法。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,19,以uA741為例：,3.集成運放使用注意事項3）集成運放的自激振蕩問題運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，在接成深度負反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。自激振蕩使放大器的工作不穩(wěn)定。為了消除自激振蕩，有些集成運放內部已設置了消除自激的補償網(wǎng)絡，有些則引出消振端子，采用外接一定的頻率補償網(wǎng)絡進行消振，如接RC補償網(wǎng)絡。另外，防止通過電源內阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運放的正、負供電電源的輸入端對地之間并接入一電解電容（10μF）和一高頻濾波電容（0.01μF～0.1μF）。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,20,3.集成運放使用注意事項4）集成運放的保護問題集成運放在使用中常因以下三種原因被損壞：輸入信號過大，使PN結擊穿；電源電壓極性接反或過高；輸出端直接接“地”或接電源，此時，運放將因輸出級功耗過大而損壞。因此，為使運放安全工作，也需要從這三個方面進行保護。（1）輸入端保護防止差模電壓過大的保護電路如圖3.6（a）所示，它可將輸入電壓限制在二極管的正向導通電壓以內；圖3.6（b）所示是防止共模電壓過大的保護電路，它限制集成運放的共模輸入電壓不超過+U至-U的范圍。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,21,3.集成運放使用注意事項4）集成運放的保護問題（2）輸出端保護對于內部沒有限流或短路保護的集成運放，可以采用圖4-7所示的輸出保護電路。其中圖3.7（a）將雙向擊穿穩(wěn)壓二極管接在電路的輸出端，而圖3.7（b）則將雙向擊穿穩(wěn)壓二極管接在反饋回路中，都能限制了輸出電壓的幅值。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,22,3.集成運放使用注意事項4）集成運放的保護問題（3）電源端保護為防止正負電源接反，可利用二極管的單向導電性，在電源端串接二極管來實現(xiàn)保護，如圖3.8所示。若電源接錯，則二極管反向截止，電源被斷開。,3.1.4集成運算放大器使用中的幾個具體問題,2019/12/9,23,