运放应用函数发生器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,实验三运算放大器的应用&函数发生器的设计,电子线路测试技术,电子线路测试技术,掌握运算放大器的主要直流参数与交流参数的测试方法；,掌握运算放大器的基本实验电路及其工作原理。,学习要求,：,第,一部分,运算放大器的应用,一、集成运算放大器的内部结构,偏置电路,运算放大器的应用,差动输入级,中间放大级,输出级,差动输入级：,使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比。,中间放大级：,获得足够高的电压增益,输出级：,具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。,偏置电路：,为各级提供合适的静态工作点。一般采用恒流源偏置电路。,运算放大器的应用,NE5532,（高速低噪声双运算放大器）,管脚图,集成运放NE5532的应用,稳压电源,15V,15V,15V,+15V,注意：正、负电源的千万别接反！,1、双电源的连接,运算放大器的应用,二、运放的主要性能参数的测试方法,运放的直流参数：,运放的交流参数：,输入失调电压V,IO,输入失调电流I,IO,差模开环直流电压增益A,VD,共模抑制比K,CMR,增益带宽积A,V,BW,转换速率（摆动率）S,R,运算放大器的应用,输入失调电压,V,IO,实际的运放当运放的两输入端加相同的电压或直接接地时，输出直流电压不为零，输出端存在的直流电压折算到输入端的电压值称之为失调电压,V,IO,。,V,IO,R,1,R,1,+R,F,V,O,V,IO,一般为,（0.5,5)mV，,其值越小越好。,测试方法：,理想运算放大器,的两输入端加相同的电压或直接接地时,输出直流电压应为零。,或者说，为使输出端输出电压为零，在两输入端间加入的直流补偿电压称之为失调电压,V,IO,失调电压是由于差分输入级的二个三级管的输入特性不一致引起的,运算放大器的应用,输入失调电流,I,IO,当运放的输出电压为零时，流入运放两输入端的静态基极电流之差称为输入失调电流。即 I,IO,I,B+,-I,B-，,其中I,B+,为同相输入端基极电流，I,B-,为反相输入端基极电流。,I,IO,一般为,1nA,10nA，其值,越小越好。,测试方法：,失调电流是由于输入级的二个三极管的,值,不一致引起的,I,IO,=I,B+,-I,B-,V,3,/R,3,-V,2,/R,1,运算放大器的应用,差模开环直流电压增益,A,VD,当运放没有反馈时的直流差模电压增益。,测量时，信号源的输出频率尽量选低（小于10Hz)，,V,i,幅度不能太大，一般取几十毫伏。,测试方法：,R,1,+R,2,A,VD,V,O,V,i,V,O,V,i,*,V,i,V,i,V,O,V,i,*,R,2,A,VD,较大，用测闭环电路测量，折算成,A,VD,选择电阻(,R,1,+R,2,),R,3,、R,2,R,1,，则有,V,i,V,i,，,增益通常用DB（分贝）表示，即20Lg,A,VD。,即：输出端反馈到输入端的电压V,i,0,运算放大器的应用,共模抑制比,K,CMR,运放的差模电压放大倍数A,VD,与共模电压放大倍数A,VC,的比值,称为共模抑制比，单位dB。,其中,V,i,2V（有效值）,、频率为50Hz的正弦波。K,CMR,愈大，表示放大器对共模信号（温度漂移、零点漂移等）的抑制能力愈强。,测试方法：,K,CMR,20lg,A,VD,A,VC,dB,A,VD,R,F,/R,1,A,VC,V,o,/V,i,运算放大器的应用,测试方法：,表2.2.1 增益带宽积测量值,R,F,R,1,A,V,BW,A,V,*,BW,1,10K,10K,2,100K,10K,3,1M,10K,运放的,增益带宽积是指运算放大器的差模增益与其工作频率,带宽的乘积。,增益带宽积,A,V,*,BW,V,i,50mV,增高频率直到,A,V,=0.707,A,V(1KHz),时所对应的频率就是运放的带宽,BW,运放的,BW=f,c,-,f,L,f,c,放大倍数等于1时的带宽称为单位增益带宽。,=C（常数）,实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带宽积不变（可能存在测量误差）。因此，在给定电压增益下，运放的最高工作频率受到增益带宽积的限制，应用时要特别注意这一点。,运算放大器的应用,转换速率（摆动率）,S,R,运放的,转换速率,是指,运放在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能达到的最大变化率。,测试方法：,测试电路中，V,i,为10KHz的方波，其峰-峰值为5V。,V/t,，,单位：V/us,t,为输出电压,v,o,从最小值上升到最大值所需的时间,转换速度越高，说明运放对输入信号的瞬时变化响应越好。影响运放转换速率的主要因素是运放的高频特性和相位补偿电容。,阶越信号,运算放大器的应用,使用注意事项,P29-31,V,IO,、I,IO,用,作直流放大器时，V,IO,、I,IO,应尽可能地 小。还可以外加调零电路（P30),测试方法：,增益带宽积 A,V,*,BW,=C，器件指标给出的是单位增益带宽积，即A,V,=1时的带宽,输入电压 范围：,+,13V,是指运放的工作电压为,+,15V，若工作电压为,+,5V，则输入电压范围只能是,+,3V,输入电阻Ri-差模输入电阻虽然很大，,UA741的Ri,1M,分析时，仍需根据实际电路，决定是否能忽略。,输出电阻R,O,-输出电阻虽然很小，,UA741的R,O,75,但不能接很重的负载，内部,限流电路使输出电流,30mA,实验任务：P63,实验与思考题,2.2.1 测试运放UA741的性能参数 Av BW、S,R,及 K,CMR,，并与表所示的典型值相比较。,运算放大器的应用,不测 V,IO,、I,IO,、A,VO,第二部分 函数发生器设计,一 、方波-三角波函数发生器设计,函数发生器能自动产生,方波-三角波-正弦波。,其电路组成框图如图3.4.1 所示.,图,3.4.1,函数发生器组成框图,1、方波-三角波产生电路,电路图如图所示：,比较器,积分器,C,1,称为加速电容，可加速比较器的翻转,R,1,称为平衡电阻,运放A,1,的反相端接基准电压，即,V,=0;同相端接输入电压,v,ia,；,比较器的输出,v,o1,的高电平约等于正电源电压+,V,CC，,低电平约等于负电源电压,V,EE(,+,V,CC,=,V,EE,)。,当输入端V,+,=V-=0 时，比较器翻转，V,01,或从+Vcc跳到-Vee，或从-Vee跳到Vcc。,运放A,1,与R,1,、R,2,、R,3,、RP,1,组成电压比较器。,V,ia,=0,若V,o1,是从 Vee跳到+Vcc 则,比较器的上门限电位为,V,ia+,=,-R,2,R,3,+RP,1,(-Vee)=,R,2,R,3,+RP,1,(Vcc),设 V,01,是从+Vcc跳到-Vee,，,则,R,2,+R,3,+RP,1,(+Vcc),R,2,+,R,3,+RP,1,R,2,+R,3,+RP,1,整理上式,得比较器的下门限电位为,-R,2,R,3,+RP,1,(+Vcc)=,R,3,+RP,1,-R,2,(Vcc),V,ia,=,V+=,RP,1,指电位器的调整值(以下同),比较器的门限宽度V,H,为,V,H,=V,ia,+,V,ia,=2,R,2,R,3,+RP,1,Vcc,由上面公式可得比较器的电压,传输特性，如图3.4.3 所示。,图3.4.3 比较器电压传输特性,从电压传输特性可见，当输,入电压V,ia,从上门限电位V,ia+,下降到下门限电位V,ia,时，,输出电压V,o1,由高电平+Vcc,突变到低电平-Vee。,比较器的传输特性,V,o2,=,-(+Vcc),(R,4,+RP,2,)C,2,t=,-Vcc,(R,4,+RP,2,)C,2,t,当V,o1,=-Vee时，,V,o2,=,-(-Vee),(R,4,+RP,2,)C,2,t=,Vcc,(R,4,+RP,2,)C,2,t,a点断开后，运算放大器A,2,与 R,4,、,RP,2,、R,5,、C,2,组成反相积分器，,其输入信号为方波V,o1,时，则积分,器的输出,V,o2,=,-1,(R,4,+RP,2,)C,2,当V,o1,=+Vcc时，,V,o1,dt,a点闭合，形成闭环 电路，则自动产生方 波-三角波，其波,形如图3.4.4 所示。,图,3.4.4,方波三角波,方 波-三角波的工作过程：,当比较器的门限 电 压为 V,ia+,时输出V,o1,为高电平（+Vcc)。这时积分器的输出（三角波V,o2,）随着电容的充电开始线性下降。,当V,o2,下降到比较器的下门限 电 位 V,ia,时，比较器翻转，输出V,o1,由高电平跳到低电平。这时积分器输出（三角波V,o2,）又随着电容的放电开始线性增加。如此反复，就可自动产生方 波-三角波。,时间常数 =,(R,4,+RP,2,)C,2,决定输出幅度，当,3*T/2,输出为线性三角波,三角波的,幅度,为：,V,o2m,=,方波的,幅度,略小于,+Vcc 和-Vee。,方 波-三角波的幅度和频率,-1,(R,4,+RP,1,)C,2,T,4,0,V,o1,dt,=,|-V,CC,|,(R,4,+RP,1,)C,2,T,4,实际上，三角波的幅度 也就是比较器的 门限电压V,ia+,V,o2m,=V,ia+,=,R,2,R,3,+RP,1,Vcc=,-Vcc,(R,4,+RP,1,)C,2,T,4,V,o2m,=,Vcc,方 波-三角波 的波频率为：,=,R,3,+RP,1,4R,2,(R,4,+RP,2,)C,2,R,2,R,3,+RP,1,将上面两式整理可得三角波 的周期 T ，而 f=1/T,三角波 的幅度为：,由此可见：,1、方波的幅度由+Vcc 和 Vee决定；,2、调节电位器RP,1,，可调节三角波 的幅度，但会影响其频率；,3、调节电位器RP,2,，可调节方 波-三角波 的频率，但不会影,响 其幅度，可用 RP,2,实现频率微调，而用C,2,改变频率,范围。,三、函数发生器的性能指标,输出波形,正弦波、,方 波、三角波,频率范围,1Hz10Hz,10Hz100Hz,1001KHz,1KHz10KHz,10KHz100KHz,100KHz1MHz,.,输出电压,一般指输出波形的峰-峰值，即 V,p-p,=2V,m,.,波形 特性,表征正弦波特性的参数是非线性失真,，一般要求,3%；表征三角波特性的参数是非线性系数,，,一般要求,2%；表征方波特性的参数是 上升时间,t,r,，一般要求,t,r,100ns(1kHz，最大输出时)。,四、设计举例,（1）,确定电路形式及元器件型号,例 设计一方 波-三角波-正弦波,函数发生器。,性能指示要求,频 率范围,1Hz10Hz,10Hz100Hz;,输出电压,方波,V,p-p,24V,，三角波,V,p-p,=8V,，,正弦波,V,p-p,1V,。,采用如图所示电路，其中运算放大器A,1,与A,2,用一只双运放,A747，差分放大器采用本章第三节设计完成的晶体管单端输入 单端输出差分放大器电路。因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压+,V,CC,=+12V，,V,EE,=12V。,波形特性,方波,t,r,1,s(1kHz，最大输出时),三角波,2%，正弦波,5%,三角波-方 波-正弦波函数发生器实验电路,图3.4.9 三角波方波正弦波函数发生器实验电路,此处引脚标号为uA747芯片的，而实验中用741芯片，引脚号不同，插板时一定要注意。,（2）,计算元件参数,当1Hz,f,10Hz时，取C,2,=10,F，R,4,=5.1k,，RP,2,=100k,；,当 10Hz,f,100Hz时，取C,2,=1,F，以实现频率波段的转,换；R,4,及RP,2,的取值不变。取平衡电阻R,5,=10k,。,R,Vcc,R,3,+RP,1,=,V,o2m,=,4,12,=,1,3,取R,2,=10k,，取R,3,=20k,RP,1,=47k,平衡电阻R,1,=R,2,/(R,3,+RP,