集成運算放大器測試電路的制作

1、2.1 項目描述項目描述2.2 知識鏈接知識鏈接2.3 項目實施操作指導項目實施操作指導2.4 項目任務總結項目任務總結 項目二項目二 集成運算放大器測試電路的制作與測試2.1項目描述項目描述 集成電路就是把組成電路的各種電子元器件和電路的連接線集中制作在一個很小的半導體硅片上，構成具有特定功能的電路，然后外部用管殼封裝，通過引線和外電路連接。由于集成電路具有體積小、焊點少、可靠性高、調試簡單等原因，它在現(xiàn)代電子技術中得到了廣泛的應用。 本項目就是通過制作一個集成音頻放大電路，來熟悉集成電路的特點，掌握集成運算放大電路的應用。2.1.1任務目標任務目標序號序號類別類別目標目標一知識點1.集成電

2、路的特點及應用2.集成運算放大器的基本結構、電路符號及主要性能指標3.集成運算放大器的理想特性4.集成運算放大器的線性應用條件及典型應用電路的分析方法5.集成運算放大器的非線性應用等二技能1.集成運算放大器資料查閱、識別與選取方法2.應用集成運算放大器構成集成音頻放大電路3.集成音頻放大電路的安裝、調試與檢修4.萬用表、電子電壓表、示波器的使用三職業(yè)素養(yǎng)1.溝通能力及團隊協(xié)作精神2.良好的職業(yè)道德3.質量、成本、安全、環(huán)保意識主要任務：熟悉電路各元器件的作用； 進行電路元器件安裝； 整機調試； 撰寫電路制作報告。2.1.2項目學習情境：項目學習情境：集成音頻放大電路的制作集成音頻放大電路的制作

3、集成音頻放大電路原理圖集成音頻放大電路原理圖2.2知識鏈接知識鏈接2.2.1集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述2.2.2 差分放大電路差分放大電路2.2.3集成運算放大電路的特性與參數(shù)集成運算放大電路的特性與參數(shù)2.2.4集成運算放大電路的線性應用集成運算放大電路的線性應用2.2.5 運放的非線性應用電路運放的非線性應用電路電壓比較器電壓比較器2.2.1集成運算放大電路概述集成運算放大電路概述集成電路：集成電路： 采用專門的制造工藝，將元、器件及連線采用專門的制造工藝，將元、器件及連線組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成特定組成的完整電路制作在一塊基片上，并完成特定的功能。的功能。IC

4、分類：分類：數(shù)字數(shù)字IC：集成度高，可達上千萬，超億個元件的集成度高，可達上千萬，超億個元件的集成度。集成度。模擬模擬IC：線性：集成運放線性：集成運放非線性：模擬相乘器非線性：模擬相乘器數(shù)模：數(shù)模： 數(shù)模數(shù)模(D/A)模數(shù)模數(shù)(D/A) 目前集成運放種類繁多，指標性能不同，通常把它目前集成運放種類繁多，指標性能不同，通常把它們劃分為們劃分為通用型通用型和和專用型專用型兩種。兩種。 通用型運放：性能參數(shù)比較均勻，適合于多種領域的一般要求。通用型運放：性能參數(shù)比較均勻，適合于多種領域的一般要求。專用型運放：根據某些特殊要求，著重提高其中一項或幾項性能專用型運放：根據某些特殊要求，著重提高其中一項

5、或幾項性能指標的運放。指標的運放。集成放大電路集成放大電路：高增益的直接耦合放大電路：高增益的直接耦合放大電路 問世最早，應用最廣泛。問世最早，應用最廣泛。 最初多用于各種模擬信號的運算最初多用于各種模擬信號的運算 故稱：集成運算放大電路，簡稱故稱：集成運算放大電路，簡稱集成運放集成運放。集成運放電路結構特點：集成運放電路結構特點： 1.直接耦合直接耦合 （硅片上不能做大電容）（硅片上不能做大電容） 2.差動放大作輸入級差動放大作輸入級 （克服溫漂）（克服溫漂） 3.采用電流源采用電流源 （偏置（偏置提供穩(wěn)定的電流提供穩(wěn)定的電流 ；有；有源負載代替大電阻）源負載代替大電阻） 4.采用復合管采用

6、復合管 （不同類型管性能差異大）（不同類型管性能差異大）集成運放的符號集成運放的符號習慣符號習慣符號國際標準符號國際標準符號集成運放電路的組成集成運放電路的組成兩個兩個輸入端輸入端一個一個輸出端輸出端 若將集成運放看成為一個若將集成運放看成為一個“黑盒子黑盒子”，則可等效為一個，則可等效為一個雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。雙端輸入、單端輸出的差分放大電路。各部分的作用：各部分的作用：1.輸入級：輸入級：KCMR，Ri，IQ， 一般采用差動放大。一般采用差動放大。2.中間級：中間級：Au，多采用有源負載的，多采用有源負載的 共射復合管放大。共射復合管放大。3.輸出級：輸出級：UOM，RO，多

7、采用，多采用 互補對稱輸出電路?；パa對稱輸出電路。4.偏置電路：提供各級偏置電路：提供各級Q點，點， 采用電流源電路采用電流源電路2.2.2 差分放大電路差分放大電路引入引入:在集成電路中在集成電路中,由于不能制作大阻值和大容量的由于不能制作大阻值和大容量的 所以都采用所以都采用直接耦合方式直接耦合方式,但其靜態(tài)工作點互相影響但其靜態(tài)工作點互相影響,會產生零點漂移現(xiàn)象會產生零點漂移現(xiàn)象,為為有效克服此現(xiàn)象有效克服此現(xiàn)象,可采用可采用:一、基本差分放大器一、基本差分放大器 差分放大電路是由對差分放大電路是由對稱的兩個基本放大電路，稱的兩個基本放大電路，通過射極公共電阻耦合構通過射極公共電阻耦合構

8、成的。對稱的含義是兩個成的。對稱的含義是兩個三極管的特性一致，電路三極管的特性一致，電路參數(shù)對應相等。參數(shù)對應相等。靜態(tài)分析:靜態(tài)時，ui1=ui2=0,由于電路完全對稱,有 UBE1=UBE2=UBE=0.7V所以靜態(tài)時， uid=0， uo=0當b 遠大于1時UC1=UC2=VCC-ICRC注意注意: :兩管基極電流為零兩管基極電流為零u uo o+ +- -零點漂移零點漂移:當放大電路輸入端短路時,輸出端仍有緩慢變化的電壓產生的現(xiàn)象產生原因產生原因:采用方法采用方法:抑制原理抑制原理:主要原因是溫度的影響，所以有時也用溫度漂移來表示。直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，如果第一

9、級產生零漂，經多級放大后輸出級將嚴重偏離原工作點，這是構成直接耦合多級放大電路時必須要加以解決的問題。差分放大電路由于電路結構對稱，元件參數(shù)和特性相同，因而溫度變化時UC1Q、UC2Q始終相等，使UOQ0，從而有效地抑制了抑制了溫漂和零點漂移溫漂和零點漂移。輸入信號類型輸入信號類型:差模信號:共模信號:是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相反的信號。 uid = ui1 ui2 是指在兩個輸入端加上幅度相等，極性相同的信號t tt tt tt tu ui1i1u ui1i1u ui2i2u ui2i2差模雙端輸入差模雙端輸入, ,雙端輸出電路雙端輸出電路電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù): :有負載時其中

10、其中輸入電阻輸入電阻: :Rid=2rbe輸出電阻輸出電阻: : RO=2RC交流通路差模雙端輸入差模雙端輸入, ,單端輸出電路單端輸出電路電路電路 如圖所示,輸出電壓取自T1管的集電極交流通路為交流通路為: :注意負載電阻位置的變化注意負載電阻位置的變化, ,其阻值也由其阻值也由R RL L/2/2轉換為轉換為R RL L電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù): :由于只取一個管子的集電極電壓變化量, 所以是雙端輸出的一半負載時負載時: :其中其中: :R RL L=R=RC C/R/RL L如果從如果從T T2 2集電極輸出集電極輸出, ,結果結果? ?思考思考: :回答回答: : 輸出與輸入同相輸出與

11、輸入同相, ,沒有負號沒有負號雙端輸出的共模電壓放大倍數(shù)雙端輸出的共模電壓放大倍數(shù)交流通路交流通路: :電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù): : 由于電路對稱由于電路對稱, ,其其輸出電壓輸出電壓u uococ=u=uoc1oc1- -u uoc2oc2=0,=0,所以所以注意注意: : 實際情況是實際情況是, ,電路參數(shù)不可能完全對稱電路參數(shù)不可能完全對稱, ,輸輸出電壓很小出電壓很小,A,Aucuc很低很低. .溫漂和干擾信號可看成共溫漂和干擾信號可看成共模信號模信號, ,所以所以AucAuc越小越好越小越好電源共模電源共模交流接地交流接地電源共模電源共模交流接地交流接地因因u ui1i1=u=ui

12、2i2=u=uicic, ,有有i ic1c1= =i ic2c2, , i iE1E1= =i iE2E2, ,所以所以i iE E=2=2i iE1E1, , u uR Re e=2=2I IE ER RE E, ,對每管而言對每管而言, ,相相當于射極接上當于射極接上2R2Re e的電阻的電阻雙端輸出的共模抑制比雙端輸出的共模抑制比由前面學習可以看到由前面學習可以看到, ,差分放大電路能夠差分放大電路能夠放大差模信號放大差模信號, ,抑抑制共模信號制共模信號. .通常用通常用共模抑制比共模抑制比來表示對共模信號的抑制來表示對共模信號的抑制能力能力, ,其值越大其值越大, ,抑制能力越強抑

13、制能力越強, ,定義為定義為: :放大電路的差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放放大電路的差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的大倍數(shù)之比的絕對值絕對值, ,即用分貝數(shù)表示為即用分貝數(shù)表示為: :例例: Aud=-200, Auc=0.1 則則K KCMRCMR=20lg=20lg(-200)/0.1(-200)/0.1=66dB=66dB雙輸出的基本差雙輸出的基本差分放大電路分放大電路, ,在理在理想情況下想情況下, ,其其K KCMRCMR可認為無窮大可認為無窮大單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比單端輸出的共模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比共模電壓放大倍數(shù)共模電壓放大倍數(shù): :其中其中: : R

14、RL L=R=RC C/R/RL L當當b b 遠大于遠大于1 1時時, ,可簡化為可簡化為共模抑制比共模抑制比: :共模輸入電阻共模輸入電阻: :交流通路交流通路二、單端輸入差分放大電路二、單端輸入差分放大電路多數(shù)情況多數(shù)情況, ,兩個輸入信號不等兩個輸入信號不等, ,我們可以進行我們可以進行: :輸入信號的分解輸入信號的分解: :u ui i=u=ui1i1,u,ui2i2=0,=0,可可等效為等效為共模信號為共模信號為: :單端輸入差分放大電路的分析單端輸入差分放大電路的分析由于單端輸入是可將信號分解成由于單端輸入是可將信號分解成差模信號差模信號和和共模共模信號信號兩部分兩部分, ,則輸

15、出信號也有兩部分組成則輸出信號也有兩部分組成: :u uo o=u=uididA Audud+u+uicicA Aucuc雙端輸出雙端輸出共模放大倍數(shù)理共模放大倍數(shù)理論上為零論上為零, ,所以所以單端輸入單端輸入單端輸出單端輸出電路電路由于由于A Aucuc不為零不為零, ,從前面從前面學習得學習得差模輸入電阻差模輸入電阻 R Ridid=2r=2rbebe共模輸入電阻共模輸入電阻為為三、具有恒流源的差分放大電路三、具有恒流源的差分放大電路我們看到我們看到, ,對于單輸出的對于單輸出的差分電路差分電路, ,要提高共模抑要提高共模抑制比應提高制比應提高 Re Re 的阻值的阻值, ,但集成電路中

16、不易制作但集成電路中不易制作大阻值的電阻大阻值的電阻, ,要保持靜要保持靜態(tài)工作點不變態(tài)工作點不變, , 增大增大ReRe還需提高還需提高V VEEEE的數(shù)值的數(shù)值, , 這這些都是不現(xiàn)實的些都是不現(xiàn)實的, ,我們可我們可以采用以采用電路圖為電路圖為: :來解決矛盾來解決矛盾其簡圖為其簡圖為: : 從恒流源特性知從恒流源特性知, ,它它的交流電阻很大的交流電阻很大, ,而直流而直流壓降卻不大壓降卻不大, ,這樣可大大這樣可大大提高共模抑制比提高共模抑制比設設u uBE3BE3=U=UD D, ,則則1、Auo 高高: 80dB80dB140dB140dB2、rid 高高: 10: 105 51

17、0101111 3、ro 低低: 幾十幾十 幾百幾百 4、KCMR高高: 70dB70dB 130dB130dB2.2.3集成運算放大電路的特性與參數(shù)集成運算放大電路的特性與參數(shù)1. 最大輸出電壓最大輸出電壓 UOPP 使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。使輸出和輸入保持不失真關系的最大輸出電壓。2. 開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Auo 未接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。未接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。 Auo愈高，愈高， 所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。所構成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。6. 共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍 UICM 運放能承受的最大共模輸入電壓

18、。超出此值，運運放能承受的最大共模輸入電壓。超出此值，運 放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。放的共模抑制性能下降，甚至造成器件損壞。3. 輸入失調電壓輸入失調電壓 UIO4. 輸入失調電流輸入失調電流 IIO5. 輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB三、三、理想運算放大器及傳輸特性理想運算放大器及傳輸特性在分析集成運放構成的應用電路時，將集成運放看成理在分析集成運放構成的應用電路時，將集成運放看成理想運算放大器，可以使分析大大簡化。想運算放大器，可以使分析大大簡化。理想運算放大器理想運算放大器應當滿足以下各項條件：應當滿足以下各項條件： 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻

19、差模輸入電阻 輸出電阻輸出電阻 帶寬帶寬 轉換速率轉換速率 共模抑制比共模抑制比 Rid=； Auo=； Ro=0； BWSRKCMR； 傳輸特性傳輸特性如有負反饋如有負反饋,可認為運放工可認為運放工作在作在線性區(qū)線性區(qū),此時特點是此時特點是由于由于Auo=,輸出電壓為有輸出電壓為有限值限值,所以所以uid=u-u+=uo/Auo0,即即u-=u+稱為稱為”虛短虛短”由于由于Rid0,有有i-=i+=uid/Rid0 稱為稱為”虛斷虛斷”uidu-u+i+i-2.2.4集成運算放大電路的線性應用集成運算放大電路的線性應用線性應用條件：線性應用條件：引入負反饋引入負反饋線性區(qū)特點：線性區(qū)特點：“

20、虛短虛短”、“虛斷虛斷”同時成立同時成立工作在線性區(qū)時電路的分析方法：工作在線性區(qū)時電路的分析方法： 將實際運算放大器按理想運算放大器處理，利用將實際運算放大器按理想運算放大器處理，利用其其“虛短虛短”、“虛斷虛斷”兩個重要特征可以方便地分析和兩個重要特征可以方便地分析和計算電路參數(shù)。計算電路參數(shù)。典型電路典型電路 信號的運算電路：比例；加、減；乘、除；對數(shù)、信號的運算電路：比例；加、減；乘、除；對數(shù)、指數(shù)等運算指數(shù)等運算 信號的處理電路：有源濾波器、精密整流電路信號的處理電路：有源濾波器、精密整流電路 電壓比較器和采樣保持電路等電壓比較器和采樣保持電路等1）比例運算電路）比例運算電路作用：作

21、用：將信號按比例放大。將信號按比例放大。類型：類型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。電路結構：電路結構：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣放大倍數(shù)與運放本身無關，串聯(lián)負反饋。這樣放大倍數(shù)與運放本身無關，只與反饋系數(shù)即外部元件有關。只與反饋系數(shù)即外部元件有關。0uui1= i221RuRuoi121RRuuAou.放大倍數(shù)放大倍數(shù)虛短路虛短路虛開路虛開路（1 1）反相比例運算電路）反相比例運算電路結構特點：結構特點：負反饋引到反相輸負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。入端，信號從反相端輸入。電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋uo_+ +

22、 R2R1RPuii1i2總電流總電流反饋電流反饋電流凈輸入電流凈輸入電流.電路的輸入電阻電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對地平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。態(tài)時輸入級的對稱性。RP =R1 / R2uo_+ + R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入為保證一定的輸入電阻，當放大倍數(shù)電阻，當放大倍數(shù)大時，需增大大時，需增大R2，而大電阻的精度差，而大電阻的精度差，因此，因此，在放大倍數(shù)在放大倍數(shù)較大時，該電路結較大時，該電路結構不再適用。構不再適用。（2 2）同相比例運算電）同相比例運算電路路_+ + R2R1RPuiuou-=

23、 u+= ui12RuRuuiioiouRRu)1 (12反饋方式：反饋方式：電壓串聯(lián)負反饋。輸入電高。電壓串聯(lián)負反饋。輸入電高。1211RRuuAou虛短路虛短路虛開路虛開路結構特點：結構特點：負反饋引負反饋引到反相輸入端，信號到反相輸入端，信號從同相端輸入。從同相端輸入。虛開路虛開路udiuf_+ + uiuoiouuuu此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸此電路是電壓串聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分立元件的射極輸出出電阻小，在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。器相同，但是電壓跟隨性能好。（3 3）電壓跟隨器）電壓跟隨器結構特點：結構特點：輸出

24、電壓全輸出電壓全部引到反相輸入端，信部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。號從同相端輸入。電壓電壓跟隨器是跟隨器是同相比例運算同相比例運算放大器的特例。放大器的特例。2 2）加減運算電路）加減運算電路作用：作用：將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：類型：同相求和與反相求和。同相求和與反相求和。電路結構：電路結構：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關。倍數(shù)無關，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關。（1 1）加法運算電路）加法運算電

25、路R12_+ R2R11ui2uoRPui1實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應不同的需要。以適應不同的需要。FPR/R/RR1211 加法運算電路加法運算電路0uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+ R2R11ui2uoRPui1可用疊加法求可用疊加法求虛地虛地_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：解出：（2 2） 減法運算電路：雙端輸入差動放大器減法運算電路：雙端輸入差動放大器疊加法疊加法減法運算電路減法運算電

26、路1. 它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比較小較小 。2. 關于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同關于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。相輸入的輸入電阻高。3. 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。壓小。比例運算電路與加減運算電路小結比例運算電路與加減運算電路小結由虛短及虛斷可得由虛短及虛斷可得 i1 = iftuCRuCddF1i tuCddoF tuCRud1iF1o tuCiCddFF 1i1Rui if =?ifi1uoCFuiR2R1+ uC+ oiF1od10tutuCRuC

27、tt d1 ooiF10tutuCRtt tUCRud1iF1ouitOF1iOM0CRUUt 積分飽和積分飽和線性線性積分積分時間時間線性積分時間線性積分時間UOMuotO+ UOMui = Ui 0 ui = Ui fl才能組成帶通電路。 一個低通濾波電路和一個高通濾波電路并聯(lián)連接組成的帶阻濾波電路，所以fhUR，uo=+ UOMui UR，uo= UOMuiuoURR2+ R1+uiuoOURtuiOURt1t2Ouot +UOMUOM設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為設穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向導通壓降忽略穩(wěn)壓管的正向導通壓降則則 ui UR，uo = UZUZ UZuoRDZURuo

28、uiR2+ R1+電壓傳輸特性電壓傳輸特性 UOM +UOMuiuoOURtuituo+UOMUOMUR=0uouiR2+ R1+電路中引入正反饋電路中引入正反饋RFiuu R2uoui+ R1+ oFuRRRu 22單限比較器電路簡單，但抗干擾能力差。在單限比較器電路簡單，但抗干擾能力差。在uiUR時，時，干擾易引起輸出誤跳變，故常采用滯回電壓比較器。干擾易引起輸出誤跳變，故常采用滯回電壓比較器。提高了比較器的響應提高了比較器的響應 速度速度輸出電壓的躍變不是輸出電壓的躍變不是 發(fā)生在同一門限電壓發(fā)生在同一門限電壓 上。上。當當 uo = + UOM， 則則 當當 uo = UOM， 則則門限電壓受輸門限電壓受