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1、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：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,1
2、5V,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VIO,输入失调电流IIO,差模开环直流电压增益AVD,共模抑制比KCMR,增益带宽积AVBW,转换速率（摆动率）SR,运算放大器的应用,输入失调电压VIO,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VIO 。,VIO,R1,R1+RF,VO,VIO一般为（0.55)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
3、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VIO,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IIO,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 IIOIB+-IB-，其中IB+为同相输入端基极电流，IB-为反相输入端基极电流。,IIO一般为 1nA10nA，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,IIO=IB+-IB- V3/R3-V2/R1,运算放大器的应用,差模开环直流电压增益AVD,当运放
4、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)，Vi幅度不能太大，一般取几十毫伏。,测试方法：,R1+R2,AVD ,VO,Vi,VO,Vi,*,Vi,Vi,VO,Vi,*,R2,AVD较大，用测闭环电路测量，折算成AVD,选择电阻(R1+R2 )R3 、 R2 R1 ， 则有Vi Vi，,增益通常用DB（分贝）表示，即20LgAVD。,即：输出端反馈到输入端的电压Vi 0,运算放大器的应用,共模抑制比KCMR,运放的差模电压放大倍数AVD与共模电压放大倍数AVC的比值,称为共模抑制比，单位dB。,其中Vi2V（有效值）、频率为50Hz的正弦波。 KCMR愈大
5、，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：,KCMR 20lg,AVD,AVC,dB,AVDRF/R1,AVCVo/Vi,运算放大器的应用,测试方法：,表2.2.1 增益带宽积测量值,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 AV*BW,Vi 50mV,增高频率直到AV=0.707 AV(1KHz)时所对应的频率就是运放的带宽BW,运放的BW= fc- fL fc 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
6、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）SR,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，Vi为10KHz的方波，其峰-峰值为5V。,V/ t ，单位：V/us,t为输出电压vo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,VIO、IIO用作直流放大器时， VIO、IIO应尽可能地 小。还可以外加调零电路（P30),测试方法：,增益
7、带宽积 AV*BW =C，器件指标给出的是单位增益带宽积 ，即AV =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RO-输出电阻虽然很小，UA741的RO75,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、 SR及 KCMR，并与表2.2.2所示的典型值相比较。,运算放大器的应用,不测 VIO、IIO、AVO,第二
8、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3.4.2所示：,比较器,积分器,C1称为加速电容 ，可加速比较器的翻转,R1称为平衡电阻,运放A1的反相端接基准电压，即V=0;同相端接输入电压via；比较器的输出vo1的高电平约等于正电源电压+VCC，低电平约等于负电源电压VEE (+VCC=VEE) 。 当输入端V+ =V- =0 时，比较器翻转，V01或从+Vcc跳到-Vee，或从-Vee跳到Vcc。,运放A1与R1
9、、 R2 、R3、 RP1组成电压比较器。,Via = 0,若Vo1 是从 Vee跳到+Vcc 则,比较器的上门限电位为,Via+ =,-R2,R3+RP1,(-Vee) =,R2,R3+RP1,(Vcc),设 V01是从+Vcc跳到-Vee ，则,R2 +R3 +RP1,(+Vcc),R2,+,R3+RP1,R2+R3+RP1,整理上式, 得比较器的下门限电位为,-R2,R3+RP1,(+Vcc) =,R3+RP1,-R2,(Vcc),Via =,V+ =,RP1指电位器的调整值(以下同),比较器的门限宽度VH为,VH = Via,+,Via = 2,R2,R3+RP1,Vcc,由上面公式可
10、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Via从上门限电位Via+ 下降到下门限电位Via时， 输出电压Vo1由高电平+Vcc 突变到低电平-Vee。, 比较器的传输特性,Vo2 =,- (+Vcc)(R4+RP2)C2,t =,-Vcc (R4+RP2)C2,t,当Vo1= -Vee时，,Vo2 =,-(-Vee) (R4+RP2)C2,t =,Vcc (R4+RP2)C2,t,a点断开后，运算放大器A2与 R4、 RP2、 R5 、C2 组成反相积分器， 其输入信号为方波Vo1时，则积分 器的输出,Vo2 =,-
11、1 (R4+RP2)C2,当Vo1=+Vcc时，, Vo1dt,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 Via+ 时输出Vo1为高电平（+Vcc)。这时积分器的输出（三角波Vo2）随着电容的充电开始线性下降。,当Vo2下降到比较器的下门限 电 位 Via 时，比较器翻转，输出Vo1由高电平跳到低电平。这时积分器输出（三角波Vo2）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 = (R4+RP2)C2 决定输出幅度，当 3*T/2 输出为
12、线性三角波,三角波的幅度为：,Vo2m =,方波的幅度 略小于+Vcc 和-Vee。, 方 波-三角波的幅度和频率,-1 (R4+RP1)C2,T 4,0,Vo1 dt,=,| -VCC| (R4+RP1)C2,T 4,实际上，三角波的幅度 也就是比较器的 门限电压Via+,Vo2m = Via+ =,R2R3+RP1, Vcc =,-Vcc(R4+RP1)C2,T 4,Vo2m =,Vcc,方 波-三角波 的波频率为：, =,R3+RP1 4R2 (R4+RP2) C2,R2 R3+RP1,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、
13、方波的幅度由+Vcc 和 Vee决定； 2、调节电位器RP1，可调节三角波 的幅度，但会影响其频率； 3、调节电位器RP2，可调节方 波-三角波 的频率，但不会影响 其幅度，可用 RP2实现频率微调，而用C2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 Vp-p = 2Vm., 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，
14、一般要求2%；表征方波特性的参数是 上升时间tr，一般要求 tr100ns(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Vp-p24V，三角波Vp-p=8V，,正弦波Vp-p1V。,采用如图3.4.9所示电路，其中运算放大器A1与A2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+VCC= +12V，VEE= 12V。,波形特性 方波tr1s(1kH
15、z，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1Hzf10Hz时，取C2=10F，R4=5.1k，RP2=100k ；当 10Hzf100Hz时，取C2=1F，以实现频率波段的转换 ；R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10k。,R,Vcc,R3+RP1,=,Vo2m,=,4,12,=,1,3,取R2=10k，取R3=20k, RP1=47k,平衡电阻R1= R2/(R3+RP1)10k,R4 + RP2 =,R3 + RP1 4 R2 C2 ,指标要求：VOPP=8V,三角波正弦波电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3= C4= C5=470f，滤波电容C6的取值视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1F。RE2=100与RP4=100相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性 曲线、调整RP4及电阻R*来确定。,
