電子技術(shù)項(xiàng)目教程12集成運(yùn)算放大器的認(rèn)識(shí).ppt

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電子技術(shù)項(xiàng)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(shí)目標(biāo)：了解集成運(yùn)放的電路結(jié)構(gòu)，熟知集成運(yùn)放降低零點(diǎn)漂移的基本方法。掌握集成運(yùn)放組成的三種輸入形式的放大器及信號(hào)運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要性能。掌握區(qū)分運(yùn)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(guān)系要求，設(shè)計(jì)集成運(yùn)放應(yīng)用電路，并確定電阻的阻值。,項(xiàng)目3信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與制作,2019/12/9,2,知識(shí)目標(biāo)：掌握典型三角波、方波產(chǎn)生應(yīng)用電路。了解振蕩器的功能、電路結(jié)構(gòu)、振蕩條件。熟知LC振蕩的電路組成、理解電路工作原理，會(huì)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(yīng)用。,項(xiàng)目3信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與制作,2019/12/9,3,技能目標(biāo)：掌握利用運(yùn)放工作在不同區(qū)域的特點(diǎn)分析運(yùn)放應(yīng)用電路的方法。能正確識(shí)讀集成運(yùn)放的引腳。會(huì)用電阻測量法或電壓測量法判斷集成運(yùn)放質(zhì)量好壞。初步具有排除集成運(yùn)放常見應(yīng)用電路故障的能力。練習(xí)識(shí)讀特色信號(hào)產(chǎn)生電路實(shí)例。會(huì)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(diào)整方法。會(huì)用集成函數(shù)產(chǎn)生器8038設(shè)計(jì)實(shí)用信號(hào)產(chǎn)生電路，并掌握調(diào)試方法。,項(xiàng)目3信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與制作,2019/12/9,4,工作任務(wù)：比例運(yùn)算電路制作與測試。三角波、方波發(fā)生器設(shè)計(jì)與制作。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與制作。,項(xiàng)目3信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與制作,2019/12/9,5,3.1集成運(yùn)算放大器的認(rèn)識(shí)3.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成3.1.2集成運(yùn)算放大器的種類3.1.3集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)3.1.4集成運(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,實(shí)訓(xùn)任務(wù)3.1集成運(yùn)算放大器的認(rèn)識(shí),2019/12/9,6,集成電路是一種集成化的半導(dǎo)體器件，即以半導(dǎo)體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場效應(yīng)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(gè)外殼內(nèi)，成為一個(gè)不可分的固定組件，使之具有特定功能。,實(shí)訓(xùn)任務(wù)3.1集成運(yùn)算放大器的認(rèn)識(shí),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(yùn)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(jí)直接耦合放大電路。早期，運(yùn)放主要用來完成模擬信號(hào)的求和、微分和積分等運(yùn)算，故稱為運(yùn)算放大器?，F(xiàn)在，運(yùn)放的應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過運(yùn)算的范圍，它在通信、控制和測量等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,實(shí)訓(xùn)任務(wù)3.1集成運(yùn)算放大器的認(rèn)識(shí),2019/12/9,8,集成運(yùn)放可以有同相輸入、反相輸入及差動(dòng)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(dǎo)體器件。集成電路特點(diǎn)：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(diào)整工作量少，成本低。集成運(yùn)算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包含四個(gè)基本組成部分：輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)以及偏置電路。,3.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成,2019/12/9,9,輸入級(jí)常利用差動(dòng)放大電路的對稱特性來提高整個(gè)電路的共模抑制比和電路性能；中間級(jí)的主要作用是提高電壓增益，一般由多級(jí)放大電路組成；輸出級(jí)常用電壓跟隨器或互補(bǔ)對稱功率放大電路，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力；偏置電路為各級(jí)放大電路提供合理的偏置電流。,3.1.1集成運(yùn)算放大器的基本組成,2019/12/9,10,1.通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。常見的型號(hào)有μA741、LM386、LM324等。2.高阻型運(yùn)算放大器高阻型運(yùn)算放大器的特點(diǎn)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(yīng)管作為運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)，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(diǎn)，但該類運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。,3.1.2集成運(yùn)算放大器的種類,2019/12/9,11,3.低溫漂型運(yùn)算放大器低溫漂型運(yùn)算放大器具有失調(diào)電壓小且溫度的變化影響小特點(diǎn)，主要應(yīng)用在精密儀器、弱信號(hào)檢測等自動(dòng)控制儀表中。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)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(yùn)算放大器高速型運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是具有較高的轉(zhuǎn)換速率和較寬的頻率響應(yīng)，主要應(yīng)用于快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器等器件中。常見的運(yùn)放有LM318、μA715等。,3.1.2集成運(yùn)算放大器的種類,2019/12/9,12,5.低功耗型運(yùn)算放大器電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須用低電源電壓供電的低功率消耗運(yùn)放，這類運(yùn)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(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)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(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)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(yùn)放的電源電壓可達(dá)150V，μA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。,3.1.2集成運(yùn)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(guān)系。2.差模輸入電阻rid運(yùn)放的差動(dòng)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(yùn)放總是工作在深度負(fù)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(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo),2019/12/9,14,4.最大共模輸入電壓Uicmax指運(yùn)放兩個(gè)輸入端能承受的最大共模信號(hào)電壓。超出這個(gè)電壓時(shí)，運(yùn)放的輸入級(jí)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(diào)電壓UIO指為使輸出電壓為零而在輸入端加的補(bǔ)償電壓，其大小反映了電路的不對稱程度和調(diào)零的難易。6.共模抑制比KCMR反映了集成運(yùn)放對共模輸入信號(hào)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(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo),2019/12/9,15,1.集成運(yùn)放的選擇在沒有特殊要求的場合，盡量選用通用型集成運(yùn)放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)放時(shí)，盡可能選用多運(yùn)放集成電路，例如LM324、LF347等都是將四個(gè)運(yùn)放封裝在一起的集成電路。實(shí)際選擇集成運(yùn)放時(shí)，除性能參數(shù)要考慮之外，還應(yīng)考慮其他因素。例如信號(hào)源的性質(zhì)，是電壓源還是電流源；負(fù)載的性質(zhì)，集成運(yùn)放輸出電壓和電流的是否滿足要求；環(huán)境條件,集成運(yùn)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(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,16,2.集成運(yùn)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(fù)電源-15V，6腳為輸出端，1腳和5腳之間應(yīng)接調(diào)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(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,17,用萬用表估測μA741的放大能力時(shí)，需接上15V電源。萬用表撥至50V擋。,3.集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)1）集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放有兩個(gè)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(hào)的要求是不同的。（1）對稱雙電源供電方式運(yùn)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(fù)電源（-E）分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號(hào)源直接接到運(yùn)放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對稱電源電壓。（2）單電源供電方式單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時(shí)為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位。此時(shí)運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)變化。靜態(tài)時(shí)，運(yùn)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(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,18,3.集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)2）集成運(yùn)放的調(diào)零問題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度，要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零，對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放，只有采用外部調(diào)零方法。,3.1.4集成運(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,19,以uA741為例：,3.集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)3）集成運(yùn)放的自激振蕩問題運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的多級(jí)放大器，在接成深度負(fù)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(yùn)放內(nèi)部已設(shè)置了消除自激的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，有些則引出消振端子，采用外接一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行消振，如接RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。另外，防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運(yùn)放的正、負(fù)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(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,20,3.集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)4）集成運(yùn)放的保護(hù)問題集成運(yùn)放在使用中常因以下三種原因被損壞：輸入信號(hào)過大，使PN結(jié)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(shí)，運(yùn)放將因輸出級(jí)功耗過大而損壞。因此，為使運(yùn)放安全工作，也需要從這三個(gè)方面進(jìn)行保護(hù)。（1）輸入端保護(hù)防止差模電壓過大的保護(hù)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?qū)妷阂詢?nèi)；圖3.6（b）所示是防止共模電壓過大的保護(hù)電路，它限制集成運(yùn)放的共模輸入電壓不超過+U至-U的范圍。,3.1.4集成運(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,21,3.集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)4）集成運(yùn)放的保護(hù)問題（2）輸出端保護(hù)對于內(nèi)部沒有限流或短路保護(hù)的集成運(yùn)放，可以采用圖4-7所示的輸出保護(hù)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(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,22,3.集成運(yùn)放使用注意事項(xiàng)4）集成運(yùn)放的保護(hù)問題（3）電源端保護(hù)為防止正負(fù)電源接反，可利用二極管的單向?qū)щ娦?，在電源端串接二極管來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，如圖3.8所示。若電源接錯(cuò)，則二極管反向截止，電源被斷開。,3.1.4集成運(yùn)算放大器使用中的幾個(gè)具體問題,2019/12/9,23,