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1、jlx,基于集成运放的放大电路设计,贾立新,课程简介,本课程是针对自动化、电子信息本科专业开设的一门大类基础课程。它是一门理论联系实际、综合性较强的实践课程，是对模电、数电、EDA技术、单片机原理等基础课程知识的拓宽、提高和综合应用。,掌握模拟集成电路、CPLD/FPGA、SOC单片机的等常用集成器件的工作原理和应用，掌握常用单元电路的工作原理和设计方法，掌握运用现代设计工具完成综合电子系统的设计和调试方法，掌握电子设计文档的规范化写作方法，培养学生解决实际工程问题能力和相互协作的精神。,授课计划,电子系统的组成与类型,由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体都可以称
2、为电子系统。,根据电子系统的功能不同，可以分为以下几种类型： （1）测控系统； （2）测量系统； （3）数据处理系统； （4）通信系统； （5）计算机系统； （6）家电系统。,电子系统的设计过程,确定设计任务,总体设计,硬件设计与调试,软件设计与调试,整机联调,资料整理,1.1 运算放大器的模型,运算放大器构成信号的产生、信号的变换、信号处理等各种各样的模拟基本单元。,第1章 基于集成运放的放大电路设计,1.理想运算放大器的模型,（1）开环增益AVO； （2）输入电阻ri= ； （3）输出电阻ro=0； （4）频带宽度f=； （5）共模拟制比KCMR=； （6）失调漂移、内部噪声均为0。,2.
3、实际运算放大器的模型,（1）差分输入电阻ri； （2）电压增益AVO； （3）输出电阻rO； （4）差分输入电压vD=vP-vN （5）单位增益带宽。,741运算放大器的rd=2M，AVO=200V/mV，ro=75。,1.比例放大器,Avf=vo/vi= -R2/R1,1.2 用集成运放构成的典型放大电路,2.同相放大器,3.加法电路,加法电路的应用D/A转换器双极性输出,D/A转换器单极性和双极性输出工作波形,4.基本差分放大电路,（1）差模信号和共模信号,很多传感器的输出信号既有差模信号，又有共模信号。,vd表示差模电压，它是有用信号。vC表示共模电压，它携带的信号对测量没有用处，且会降
4、低测量精度。,对于这种信号一般采用差分放大电路进行放大。,（2）基本差分放大电路的原理,当Rf=RF，R1=R2 时，,（3）专用差分放大器-IN132,在实际使用中，差分放大电路的电阻参数很难完全匹配，导致共模抑制能力下降，这时可采用专用差分放大器。,5.仪表放大器,基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪表放大器可克服上述缺点,方案一：采用集成运放构成的仪表放大器 。,5.仪表放大器,基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪表放大器可克服上述缺点。,方案一：采用IN132构成的仪表放大器 。,5.仪表放大器,方案二：采用IN132构成的仪表放大器 。,5.仪表放大器,方案三：采
5、用单片集成仪表放大器INA333,只需一只外接电阻来调节增益；,供电电源+1.8V +5.5V；,5.仪表放大器,例：利用电阻电桥测量一个未知电阻的阻值，电桥电路如图所示。假设电阻Rt的变化范围为2200。采用仪表放大器设计信号调理电路，使电阻从2200变化时，对应的输出电压为0V2.4V。,5.仪表放大器,（1）确定仪表放大器增益,电桥输出的差模信号变化范围为-24.25mV到24.27mV。,5.仪表放大器,（1）确定仪表放大器增益,电桥输出的差模信号变化范围为-24.25mV到24.27mV。,当RG为2.06k时，仪表放大器的增益为49.46,5.仪表放大器,（2）确定仪表放大器直流偏
6、移量,当Rt=2时，差模信号为-24.25mV,调节RP2使VREF=1.2V，则当Rt=2时，VO=0V,5.仪表放大器,AD620应用心电（EGC）检测仪,1.3 集成运放的主要参数,1.输入偏置电流和输入失调电流,同相输入端吸收的电流用IP表示，反相输入端吸收的电流用IN表示,将IP和IN的差称为输入失调电流,IOS=IP-IN,分析：输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响,输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响,令,得,措施：,缩小所有的电阻 ；,选择一款具有更低IOS值的运算放大器,2. 输入失调电压,将同相输入端和反相输入端短接，对于实际运算放大器来说，由于输入级电路参数的固有失配
7、，其输出电压vo0 。,VOS对电阻反馈运算放大器电路的影响,输出失调电压的补偿,3.开环带宽BW和单位增益带宽GBW,开环电压增益从开环直流增益A0下降3dB时所对应的频宽称为开环带宽BW,从开环直流增益到0dB时所对应的频宽称为单位增益带宽GBW 。,741运放的典型值fb=5Hz，ft=2000005=1MHz。,例：用运算放大器741设计一个增益为60dB的音频放大器，要求带宽fB20kHz。,放大电路增益与带宽的关系,fB：放大器带宽；AF：放大器增益,4转换速率（Slewing Rate，SR）,转换速率也称压摆率，其定义是运放在额定负载及输入阶跃大信号时输出电压的最大变化率 。,
8、当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实际的带宽起到主要的约束。,fp（max）=SR/（2Vo（max）,4转换速率（Slewing Rate，SR）,OPA552的单位增益带宽GBW为12MHz，SR为24V/S，用其构成放大倍数为5的反相放大器，其小信号带宽为12MHz/5=2.4MHz，当输出信号的峰-峰值为10V时，其,fp（max）=SR/（2Vo（max）=764（kHz）,1.4 集成运放的分类与选择,集成运放可分为以下几类： （1）通用型； （2）高阻型； （3）精密型； （4）高速宽带型； （5）高电压、高电流型。,（1）JFET输入运算放大器TL082,TL082是低
9、成本、高速、双JFET输入运算放大器，适用于高速积分电路、D/A转换电路、采样保持电路以及低输入失调电压、低输入偏置失调电流、高输入阻抗等应用场合。,（1）JFET输入运算放大器TL082,（2）超低失调电压运算放大器OP07,OP07具有非常低的失调电压、非常低的偏置电流和很高的开环增益。OP07具有很宽的电源电压范围3V15V。,（2）超低失调电压运算放大器OP07,（3）低成本、轨对轨输出、单电源供电高速运算放大器MAX4016,（4）高电压、低失真电流反馈运算放大器THS3092,正确使用集成运算放大器,（2）输入保护电路,正确使用集成运算放大器,（3）供电电源的去耦,（4）高速运放使
10、用注意事项,不要使用面包板，因为面包板含有较大的电感,采用表面贴装元件代替直插元件，以改善高频特性；,避免使用集成电路插座，因为它增加寄生电容和电感；,PCB板至少采用两层，过孔尽量少；,PCB板的信号线尽量短、尽量直，不采用900转角。,工作频率020kHz,增益在080dB步进1dB,全频范围共模抑制比在80dB以上，可以数字设置步进，并显示增益。,设计练习可编程放大器的设计,思考题,要设计一个放大倍数为-10倍的信号放大电路，问如下电路设计是否正确：,答：理论上Vo = -(R2/R1)Vi = -10 Vi，但普通运放无法提供R2回路所需的电流，即I2 = Vo/R2 1/10 = 1
11、00mA；,改进设计，将R1、R2分别取为1M和10M，问如下电路设计是否正确：,答： R1、R2分别取为1M和10M 后，解决了普通运放无法提供R2回路所需的电流的问题，但带来的另一个问题是：电阻阻值过大时，其阻值容易受环境影响，进而影响放大电路增益的稳定性。,再改进设计，将R1、R2分别取为1k和10k，并添加条件，输入为-0.5V+0.5V变化的信号，问如下电路设计是否正确：,答： 输入Vi和输出Vo都是双极性信号，正负电压都有可能出现，要求运放也是双极性供电。,再改进设计，将供电电源改为5V双电源供电，问如下电路设计是否正确：,答： 电源采用5V双电源供电后，输入Vi没问题，但输出Vo
12、将达不到5V，会出现削顶（平顶）现象。可改用轨到轨（ Rail-to-Rail ）运放，或改变供电电源的电压值。,再改进设计，将供电电源改为12V双电源供电，并添加条件，如果输入为频率fi = 0100kHz的信号，问如下电路设计是否正确？,答：该电路输入100kHz信号时，要求运放的摆率SR2fVo = 3.14V/s；增益带宽积GBW100kHz 10 = 1MHz。查uA741数据手册可知，该运放的SR = 0.5V/s，GBW = 0.9MHz，均不能满足要求，因此会导致输出信号幅度上的衰减，并使输出信号发生失真（正弦波变为三角波），因此需要改用高速运放。,再改进设计，将运放改为高速型
13、的LM318，并添加条件，如果信号源有约为1k的等效内阻抗，问如下电路设计是否正确？,答：因为信号源的内阻抗的存在，实际输入到放大电路输入端的信号幅度已发生衰减，输出信号无法真实反映信号源的情况。因此，需要增加输入阻抗变换电路。,再改进设计，在放大电路输入信号端增加一个由运放构成的电压跟随器，并添加条件，如果放大电路输出信号所接负载为8阻性负载，问如下电路设计是否正确?,答：因为负载电阻较小，流过负载的电流较大，普通运放无法驱动该负载，因此输出信号需要经过扩流，或增加线性功率驱动电路。,6.反相交流放大器,C1=1000/2f0R1（F） C2=1000/2f0RL（F）,单电源供电交流放大器,6.同相交流放大器,
