竞赛培训之运放篇

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1、运放应用及模拟电子设计基础,一、运放的基本应用电路 二、运放的选择和使用 三、可控放大器设计举例 四、仪用放大器的使用 五、心电图仪设计举例 六、可控增益放大器的使用 七、宽带直流放大器的设计举例,一、运放的选择和使用,1、集成放大器主要交流指标简介 如开环带宽、单位增益带宽GBW、转换速率（也称为压摆率）SR 、输入电阻等。 单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。,压摆率在英文里是slew r

2、ate，简写为SR。压摆率也称转换速率。 压摆率的意思就是运算放大器输出电压的转换速率，单位有通常有V/s，V/ms和V/s三种，它反映 的是一个运算放大器在速度方面的指标。 一般来说，压摆率高的运放，其工作电流也越大，亦即耗电也大的意思。但压摆率却是高速运放的重要指标。 例：用运放放大高频大幅值信号,一定不要忽略SR参数 如用741，做成跟随器，输入输入幅值为 -5V+5V,频率为200KHz的方波 ，输出为2V的类似三角波的波形 741： 0.5；NE5532 SR 13；ad603 SR 275,2、集成运放的参数分类 ,1） 速度要求不高,或直流放大: LF441(单),LF442(双

3、),LF444(四),TL084(四) (以上运放为JFET输入,阻抗极高,不必考虑输入端的阻抗平衡) OP07(单,高精度,有调零端,速度可是特别慢,用于直流放大不错) 2） 速度比较高,音频范围,倍数不超过100: LF356(单),LF353(双),LF347(四),TL074(四) (以上运放为JFET输入,阻抗极高,不必考虑输入端的阻抗平衡) OP27(单,高精度,有调零端,速度比LF356快) NE5534(用于音响放大,音质很好,但输入阻抗低) 3） 高速 OP37(单位频响50MHz,但一定不能用做跟随器!在闭环增益小于5时会自激) 4） 低压或单电源 LM324(太慢),3、

4、集成运算放大器的使用要点 1）集成运放的电源供给方式 a)运放分为单电源运放和双电源运放，在运放的datasheet上，查电源供电方式。AD603 Supply Voltage VS. . . . 7.5 V; 具体使用方式如下： b) 在放大直流信号时，如果采用双电源运放，则最好选择正负双电源供电，否则输入信号幅度较小时，可能无法正常工作；如果采用单电源运放，则单电源供电或双电源供电都可以正常工作； c)在放大交流信号时，无论是单电源运放还是双电源运放，采用正负双电源供电都可以正常工作；而使用简单的采用单电源供电都无法正常工作，对于单电源运放，表现为无法对信号的负半周放大，而双电源运放无法正

5、常工作。要采用单电源，就需要所谓的“偏置”。而偏置的结果是把供电所采用的单电源相对的变成“双电源”。,2)为了提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器。调零时，将输入端接地，用直流电压表测量输出电压，调节，使为零（即失调电压为零）。,3) 使用时应注意运放的消振。集成运放自激振荡时，表现为即使输入信号为零，也会有输出信号。运放的自激会使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。常采用以下方法消除自激振荡： 放有相位补偿端子，可利用外接RC补偿电路。相关元件参数可查阅产

6、品手册；,n表示电路的级数，当n = 2时，fH = 0.64fH1，fL=fL1/0. 64，如果单级放大电路的上、下限频率分别为fH11MHz，fL1100Hz，则两级放大电路上、下限频率分别为fH640kHz、fL156.25Hz,4) 输入信号选用交、直流均可，但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频率特性和输出幅度的限制；,6) 电路布线和元器件布局应尽量减少分布电容； 7) 在正、负电源进线与地之间接几十微法的电解电容和微法的陶瓷电容相并联，以减少电源引线的影响。,二、集成运算放大器的一些基本电路,1反相比例运算电路,为了减小输入偏置电流引起的运算误差， 在同相输入端接入平衡电阻

7、,2同相比例运算电路,3.电压跟随器,4.反相加法运算电路,5差分式减法运算电路,当,，,时,积分电路在不同输入信号下的输出波形,移相90o,6.积分电路,7. 基本微分电路,微分电路输入、输出波形,1）典型频率特性曲线：,：中频放大倍数,fL : 下限截止频率（下边频）,fH : 上限截止频率（上边频）, f : 通频带（BW）,8、滤波电路,2） 滤波器的分类 通常有源滤波器分为： 低通滤波器（LPF） 高通滤波器（HPF） 带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（BEF） 它们的幅度频率特性曲线如图所示。,3）二阶有源低通滤波器（LPF）,上限截止频率为 ：,注：增益3,4）二阶有源高通滤波器

8、,其下限截止频率为：,9、信号发生器的设计,三、可控放大器的设计举例,1基本要求 放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，通频带为100Hz40kHz，放大器输出电压无明显失真。 2、发挥部分：放大器电压增益为60dB，输入正弦信号电压振幅为10mV，增益10dB步进可调，通频带为100Hz100kHz。,题目分析 1、级数及运放的选择 单位增益带宽积GBW (Gain bandwidth product)=60dB(1000倍）*100KHz=100MHz 所以：每级采用32dB， GBW应该在5MHz以上，选择NE5532,题目分析,外补偿作用：运放工作在低闭环增益条件下

9、，防止电路自激，在增益较高时具有很好的稳定性，无需补偿。,2、电路设计,条件：通频带为100Hz100kHz,1）低频： 2) 反馈网络参数选择：为了减小电阻带来的噪声及过小的反馈电流造成的失调电压，接地电阻选择较小的值 3）对应156KHz 的反馈电容量分别约为340pF和21.8pF，查看曲线，对应32dB，约300KHz左右，所以加一小电容，在调试时逐渐加大。,多级放大电路的通频带比任何一级都窄，级数越多通频带越窄。定量，所以单级为64.3Hz和156KHz,当n = 2时，fH = 0.64fH1，fL=fL1/0. 64，,注意1、因为为交流，所以不调零 2、消除电源上的噪声： 3、

10、大面积接地 4、输入采用同轴电缆,四、仪用放大器,1、仪用放大器的介绍： 仪用放大器与很多放大电路一样，都是用来放大信号的用的，但仪用放大电路的特点是，它所测量的信号通常都是在噪声环境下的微小信号。而噪声通常都是公共模噪声，所以在电路设计要求上，电路有很高的共模抑制比，利用共模抑制比将信号从噪声中分离出来。因此好的仪用放大器测量的信号能达到很高的精度，在医用设备、数据采集、检测和控制电子设备等方面都得到了广泛的应用。,2、 AD620 AD620 是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为11000 的低功耗、高精度仪表放大器。尽管AD620 由传统的三运放放大器发展规律而成,但一些主要性能却优

11、于三运放构成的仪表放大器。其特点时：电源范围宽(2.3-18)、设计体积小、功耗非常低(最大供电电流仅为1.3)，因而主要应用于低电压、低功耗的场合,AD620 的引脚图和结构简图,五、简易心电图仪的设计,设计制作一个简易心电图仪，可测量人体心电信号并在示波器上显示出来，示意图如图：,题目分析 前置放大电路的选用及方案设计 前置放大电路：必须高阻抗、高共模抑制比、低噪声,六、可变增益放大器,AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz宽带增益可调的集成运放，AD603主要有三种工作模式：当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+1

12、0,这时的增益范围-10dB30dB，带宽为90Mhz。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为10dB50dB。带宽为9Mhz;当5脚和7脚接上电阻，其增益与带宽范围将处于上述两者之间。,当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在 -1030dB，本文的设计就是这样应用的。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为1050dB。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者之间。,AGC电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的自动控制电路。,七、宽带直流放大器的设计,设计并制作

13、一个宽带直流放大器。要求如下： （1）最大电压增益AV60dB，输入电压有效值Vi10 mV。 （2）3dB通频带010MHz；在09MHz通频带内增益起伏1dB。,题目分析,带宽增益积(GBP)为带宽与增益的乘积，描述的是某一种运放的一个固有特性，是一个恒值。当增益提高时，相应的带宽变窄;同理增益降低时，相应带宽就变宽。 AD603主要有三种工作模式：当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10,当Vg在-0.5+0.5V变化时增益范围-10dB30dB，带宽为90Mhz。 当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为10dB50dB。 带宽为9Mhz;当5脚和7脚接

14、上电阻，其增益与带宽范围将处于上述两者之间。 本设计采用脚5和脚7短接模式，两个AD603级联增益范围为-2060dB，带宽约为80MHZ，完全满足题目设计要求。,在09MHz通频带内增益起伏1dB。,通频带内增益起伏控制 根据带宽增益积的原理：当频率变化时，增益也将发生起伏变化。为实现09MHz通频带内增益起伏1dB，采用单片机、A/D与D/A构成反馈闭环控制系统。通过采用12位A/D芯片ADS7822,对负载电压的实时采集、分析再经12位高精度D/A芯片MAX531控制AD603压控脚从而达到增益起伏1dB。,注意：,抗干扰措施： 1）排版 2）输入输出采用同轴电缆，各级分别装在屏蔽盒内，防止级间电磁耦合，避免自激 3）电源处理：盒内接高频瓷片电容 4）大面积接地，吸收高频信号减少噪声 5）选用低噪声元器件 6）级间耦合采用直接耦合，如需耦合必须采用电解电容和高频瓷片电容并联耦合，避免高频增益下降。,