電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽教程 3.2放大電路

1、3.2 運(yùn)算放大器電路321運(yùn)算放大器基本特性1.常用運(yùn)算放大器類型 運(yùn)算放大器一般可分為通用型、精密型、低噪聲型、高速型、低電壓低功率型、單電源型等幾種。本節(jié)以美國(guó)TI公司的產(chǎn)品為例，說明其各類的主要特點(diǎn)。 (1)通用型運(yùn)算放大器 通用型運(yùn)算放大器的參數(shù)是按工業(yè)上的普通用途設(shè)定的，各方面性能都較差或中等，價(jià)格低廉，其典型代表是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品A741、LM358、OP07、LM324、LF412等。 (2)精密型運(yùn)算放大器 要求運(yùn)算放大器有很好的精確度，特別是對(duì)輸入失調(diào)電壓UIO、輸入偏置電流IIB 、溫度漂移系數(shù)、共模抑制比KCMR等參數(shù)有嚴(yán)格要求。如UIO不大于lmV，高精密型運(yùn)算放大器的U

2、IO只有幾十微伏，常用于需要精確測(cè)量的場(chǎng)合。其典型產(chǎn)品有 TLC4501TLC4502、TLE2027TLE2037、TLE2022、TLC2201、TLC2254等。 (3)低噪聲型運(yùn)算放大器 也屬于精密型運(yùn)算放大器，要求器件產(chǎn)生的噪聲低，即等效輸入噪聲電壓密度Vn15nV，另外需要考慮電流噪聲密度，它跟輸入偏流有關(guān)。雙極型運(yùn)算放大器通常具有較低的電壓噪聲，但電流噪聲較大，而CMOS運(yùn)算放大器的電壓噪聲較大，但電流噪聲很小。低噪聲型運(yùn)算放大器的產(chǎn)品有TlE2027TLE2037、TLE2227TLE2237、TlC2201、TLV2362TLV2262等。 (4)高速型運(yùn)算放大器 要求運(yùn)算放

3、大器的運(yùn)行速度快，即增益帶寬乘積大、轉(zhuǎn)換速率快，通常用于處理頻帶寬、變化速度快的信號(hào)。雙極型運(yùn)算放大器的輸入級(jí)是JFET的運(yùn)算放大器，通常具有較高的運(yùn)行速度。典型產(chǎn)品有TlE2037TLE2237、TLV2362、TLE2141TLE2142TLE2144、TLE2071、TLE2072TLE2074、TLC4501等。(5)低電壓、低功率型運(yùn)算放大器 用于低電壓供電，如3V電源電壓運(yùn)行的系統(tǒng)或電池供電的系統(tǒng)。要求器件耗電小(500A)，能低電壓運(yùn)行(3V)，最好具有軌對(duì)軌（rail to rail）性能，可擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。主要產(chǎn)品有TLV2211、TLV2262、TLV2264、TLE2021

4、、TLC2254、TLV2442、TLV2341等。(6)單電源型運(yùn)算放大器 單電源運(yùn)算放大器要求用單個(gè)電源電壓(典型電壓為5V)供電，其輸入端和輸出端的電壓可低達(dá)0V。多數(shù)單電源型運(yùn)算放大器是用CMOS技術(shù)制造的。單電源型運(yùn)算放大器也可用于對(duì)稱電源供電的電路，只要總電壓不超過允許范圍即可。另外，有些單電源型運(yùn)算放大器的輸出級(jí)不是推挽電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)信號(hào)跨越電源中點(diǎn)電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生交越失真。2. 運(yùn)算放大器的基本參數(shù)表示運(yùn)算放大器性能的參數(shù)有：?jiǎn)?雙電源工作電壓、電源電流、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入電阻、轉(zhuǎn)換速率、差模輸入電阻、失調(diào)電流溫漂、輸入偏置電流、偏置電流溫漂、差模電壓增益、共模電壓增益

5、、單位增益帶寬、電源電壓抑制、差模輸入電壓范圍、共模輸入電壓范圍、輸入噪聲電壓、輸入噪聲電流、失調(diào)電壓溫漂、建立時(shí)間、長(zhǎng)時(shí)間漂移等。不同的運(yùn)算放大器參數(shù)差別很大，使用運(yùn)算放大器前需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)的分析。3運(yùn)算放大器選用時(shí)注意事項(xiàng) （1）若無特殊要求，應(yīng)盡量選用通用型運(yùn)放。當(dāng)一個(gè)電路中有多個(gè)運(yùn)放時(shí)，建議選用雙運(yùn)放（如LM358）或四運(yùn)放（如LM324等）。 （2）應(yīng)正確認(rèn)識(shí)、對(duì)待各種參數(shù)，不要盲目片面追求指標(biāo)的先進(jìn)，例如場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)的運(yùn)放，其輸入阻抗雖高，但失調(diào)電壓也較大，低功耗運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率必然也較低；各種參數(shù)指標(biāo)是在一定的測(cè)試條件下測(cè)出的，如果使用條件和測(cè)試條件不一致，則指標(biāo)的數(shù)值也將會(huì)

6、有差異。 （3）當(dāng)用運(yùn)放作弱信號(hào)放大時(shí)，應(yīng)特別致意選用失調(diào)以及噪聲系數(shù)均很小的運(yùn)放，如ICL7650。同時(shí)應(yīng)保持運(yùn)放同相端與反相端對(duì)地的等效直流電阻等。此外，在高輸入阻抗及低失調(diào)、低漂移的高精度運(yùn)放的印刷底板布線方案中，其輸入端應(yīng)加保護(hù)環(huán)。（4）當(dāng)運(yùn)放用于直流放大時(shí)，必須妥善進(jìn)行調(diào)零。有調(diào)零端的運(yùn)放應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)推薦的調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)零；若沒有調(diào)零端的運(yùn)放，則可參考圖3.2.1進(jìn)行調(diào)零。（5）為了消除運(yùn)放的高頻自激，應(yīng)參照推薦參數(shù)在規(guī)定的消振引腳之間接入適當(dāng)電容消振，同時(shí)應(yīng)盡量避免兩級(jí)以上放大級(jí)級(jí)連，以減小消振困難。為了消除電源內(nèi)阻引起的寄生振蕩，可在運(yùn)放電源端對(duì)地就近接去耦電容，考慮到去耦電解電容的

7、電感效應(yīng)，常常在其兩端在并聯(lián)一個(gè)容量為0.010.1µF的瓷片電容。圖3.2.1 常見的調(diào)零電路322基本運(yùn)放應(yīng)用電路 1反相輸入比例運(yùn)算電路反相輸入比例運(yùn)算電路如圖3.2.2所示，其電壓放大倍數(shù)為；為使輸入電流引起的誤差最小，應(yīng)取平衡電阻Rp= Rf/R1。當(dāng)Rf= R1時(shí)，Au f = -1，即vo= -vi，電路為反相器。圖3.2.2 反相輸入比例運(yùn)算電路實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）本電路的電壓放大倍數(shù)不宜過大。通常Rf宜小于1M，因Rf過大會(huì)影響阻值的精度；R1不宜過小，R1過小將要從信號(hào)源或前級(jí)吸取較大的電流。（2）作為閉環(huán)負(fù)反饋工作的放大器，其小信號(hào)上限工作頻率fH

8、 受運(yùn)放增益帶寬積GWB= AvdfH的限制。以µA741為例，其開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud=105倍，開環(huán)fH=10Hz，故運(yùn)放的單位增益上限頻率fT=1MHz，即作為電壓跟隨器或反相器工作時(shí)的最高工作頻率為1MHz。若用µA741設(shè)計(jì)Auf為20dB即便10倍的放大電路，則電路允許的上限頻率為100kHz。（3）如果運(yùn)放工作于大信號(hào)輸入狀態(tài)，則此時(shí)電路的最大不失真輸入幅度Vim及信號(hào)頻率將受運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率SR的制約。仍以µA741為例，其SR=0.5 V/µs,若輸入信號(hào)的最高頻率為100kHz，則其不失真最大輸入電壓Vim<=(SR)/(2pf

9、max)=0.5´106/2p´105=0.8V。2. 同相輸入比例運(yùn)算電路同相輸入比例運(yùn)算電路如圖3.2.3所示電路，其電壓放大倍數(shù)為：圖3.2.3 同相輸入比例運(yùn)算電路為使輸入電流引起的誤差最小，應(yīng)取平衡電阻Rp=Rf/R1。當(dāng)Rf/R1=0時(shí)，即使用一根導(dǎo)線替代Rf，Auf=1，電路演變成為電壓跟隨器。3.反相輸入比例求和電路反相輸入比例求和電路如圖3.2.4所示電路，其輸出電壓為：平衡電阻Rp= Rf/ R1/ R2/ R3。圖3.2.4 反相輸入比例求和電路4. 差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路如圖3.2.5所示電路，其輸出電壓為：Vo= -(Rf/ R1)V1+(1+

10、Rf/ R1)·(1+ R3/ (R2+ R3)·V2圖3.2.5差動(dòng)放大電路5. 積分運(yùn)算電路 積分運(yùn)算電路如圖3.2.6所示電路，其輸出電壓為：圖3.2.6 積分運(yùn)算電路 通常，為限制低頻電壓增益，在積分電容C兩端并聯(lián)一個(gè)阻值較大的電阻Rf。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率fi>1/(2p RfC)時(shí)，電路為積分器；若fi«1/(2p RfC)，則電路近似于反相比例運(yùn)算器，其低頻電壓放大倍數(shù)Avf» -Rf/ R1 。當(dāng)Rf=100k、C=0.022mF時(shí)，積分與比例運(yùn)算的分界頻率約為1/(2p RfC)= 1/(2p ´100´103&#

11、180;0.022´10-6)=72Hz。323測(cè)量放大電路測(cè)量放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、儀表放大器。其主要特點(diǎn)是：輸入阻抗高、輸出阻抗低，失調(diào)及零漂很小，放大倍數(shù)精度可調(diào)，具有差動(dòng)輸入、單端輸出，共模抑制比很高。適用于大的共模電壓背景下對(duì)緩變微弱的差值信號(hào)進(jìn)行放大，常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、生物信號(hào)等的放大。1.三運(yùn)放測(cè)量放大器三運(yùn)放測(cè)量放大器電路如圖3.2.7所示。其電壓放大倍數(shù)為：Auf =1+2 R1/ RG。圖3.2.7 三運(yùn)放測(cè)量放大電路2. 單片集成測(cè)量放大器市場(chǎng)上測(cè)量放大器品種繁多，有通用型如INAll0、INAll4115、INAl31等；有高精度型如AD522、AD524、AD624等；有低噪聲低功耗型如INAl02、INAl03等及可編程型如AD526。下面介紹高精度型單片集成測(cè)量放大器AD522。AD522是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的單片集成測(cè)量放大器。圖3.2.8給出了它的引腳圖，用它接成的電橋放大電路見圖3.2.9。其引腳說明如下：l、3腳：信號(hào)的同相及反相輸入端；2、14腳：接增益調(diào)節(jié)電阻；7腳：放大器輸出端；8、5、9腳：分別為V+、V-及地端