运放应用函数发生器精.ppt

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1、运放应用函数发生器第1页，本讲稿共31页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掌握运算放大器的主要直流参数与交流参数的测试方法；流参数的测试方法；掌握运算放大器的基本实验电路及其掌握运算放大器的基本实验电路及其工作原理。工作原理。学习要求学习要求：第第一部分一部分 运算放大器的应用运算放大器的应用第2页，本讲稿共31页一、集成运算放大器的内部结构一、集成运算放大器的内部结构偏置电路偏置电路运算放大器的应用运算放大器的应用差动输入级差动输入级中间放大级中间放大级输出级输出级差动输入级：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

2、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。第3页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用NE5532（高速低噪声双运算放大器）管脚图第4页，本讲稿共31页集成运放集成运放NE5532NE5532的应用的应用稳压电源稳压电源15V15V 15V+15V注意：正、负电源的千万别接反！注意：正、负电源的千万别接反！1、双电源的连接、双电源的连接第5页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用二、运放的主要性能参数的测试方法二、运放的主要性能参数的测试方法运放的直流参数：运放的直流参数：运放的交流参数：运放的交流参数：

3、输入失调电压输入失调电压V VIOIO输入失调电流输入失调电流I IIOIO差模开环直流电压增益差模开环直流电压增益A AVDVD共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR增益带宽积增益带宽积A AV VBWBW转换速率（摆动率）转换速率（摆动率）S SR R 第6页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用 输入失调电压输入失调电压V VIOIO 实际的运放当运放的两输入端加相同的电压或直接接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到输入端的电压值称之为失

4、调电压V VIOIO 。V VIOIOR1R1+RFVOV VIOIO一般为一般为（0.50.5 5)mV5)mV，其值越小越好。其值越小越好。测试方法：测试方法：理想运算放大器的两输入端加相同的电压或直接接的两输入端加相同的电压或直接接地时地时,输出直流电压应为零。输出直流电压应为零。或者说，为使输出端输出电压为零，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在两输入端间加入的直流补偿电压称之为失调电压称之为失调电压V VIOIO失调电压是由于差分输入级的二个三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级管的输入特性不一致引起的第7页，本讲稿共31页运算放大

5、器的应用运算放大器的应用输入失调电流输入失调电流I IIOIO 当运放的输出电压为零时，流入运放两输入端的静态基极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。即电流之差称为输入失调电流。即 I IIOIOI IB+B+-I-IB-B-，其中其中I IB+B+为同相为同相输入端基极电流，输入端基极电流，I IB-B-为反相输入端基极电流。为反相输入端基极电流。I IIOIO一般为一般为 1nA1nA 10nA10nA，其值，其值越小越好。越小越好。测试方法：测试方法：失调电流是由于输入级的二个三失调电流是由于输入级的二个三极管的极管的值值 不一致引起的不一致引起的

6、IIO=IB+-IB-V3/R3-V2/R1第8页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用差模开环直流电压增益差模开环直流电压增益A AVDVD 当运放没有反馈时的直流差模电压增益。当运放没有反馈时的直流差模电压增益。测量时，信号源的输出频测量时，信号源的输出频率尽量选低（小于率尽量选低（小于10Hz)10Hz)，Vi幅度不能太大，一般取幅度不能太大，一般取几十毫伏。几十毫伏。测试方法：测试方法：R1+R2A AVD VD VOViVOVi*ViViVOVi*R2A AVDVD较大，用测闭环电路测较大，用测闭环电路测量，折算成量，折算成A AVDVD选择电阻选择电阻(R1+R2)R3、

7、R2 R1，则有则有Vi Vi，增益通常用增益通常用DBDB（分贝）表示，即（分贝）表示，即20Lg20LgA AVDVD。即：输出端反馈到输入即：输出端反馈到输入端的电压端的电压Vi 00第9页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用共模抑制比共模抑制比K KCMRCMR 运放的差模电压放大倍数运放的差模电压放大倍数A AVDVD与共模电压放大倍数与共模电压放大倍数A AVCVC的比的比值值,称为共模抑制比，单位称为共模抑制比，单位dBdB。其中其中V Vi i2V2V（有效值）（有效值）、频率为、频率为50Hz50Hz的正弦波。的正弦波。K KCMRCMR愈大，表示放大器对共模信号

8、（温度漂移、零愈大，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。点漂移等）的抑制能力愈强。测试方法：测试方法：K KCMR CMR 20lg20lgA AVDVDA AVCVCdBA AVDVDR RF F/R/R1 1A AVCVCV Vo o/V/Vi i第10页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用测试方法：测试方法：表表2.2.1 增益带宽积测量值增益带宽积测量值 RF R1 A AV V BWBW A AV V*BWBW 110K10K 2100K10K 31M10K运放的运放的增益带宽积是指运算放增益带宽积是指运算放大器的差模增益与其工作频率大器的差模增益

9、与其工作频率带宽的乘积。带宽的乘积。增益带宽积增益带宽积 A AV V*BWBWVi 50mV 增高频率直到增高频率直到AV=0.707 AV(1KHz)时所对应的频时所对应的频率就是运放的带宽率就是运放的带宽BWBW运放的运放的BW=fc-fL fc放大倍数等于放大倍数等于1时的带宽称时的带宽称为单位增益带宽为单位增益带宽。=C（常数）（常数）实验结果表明：增益增加时，带宽减小，但增益带实验结果表明：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，运放的最高工作频率受到增益带宽积的压增益下，运放的最高工作频率受到

10、增益带宽积的限制，应用时要特别注意这一点。限制，应用时要特别注意这一点。第11页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用转换速率（摆动率）转换速率（摆动率）S SR R运放的运放的转换速率转换速率是指是指运放在大幅度阶跃信号作用下，输出信号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。所能达到的最大变化率。测试方法：测试方法：测试电路中，测试电路中，V Vi i为为10KHz10KHz的方波，其峰的方波，其峰-峰值为峰值为5V5V。V/t，单位：单位：V/usV/us t为输出电压为输出电压vo从最小值从最小值上升到最大值所需的时上升到最大值所需的时间间 转换速度越高，说明

11、运放对输入信号的瞬时变化响应越好。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。偿电容。阶越信号阶越信号第12页，本讲稿共31页运算放大器的应用运算放大器的应用使用注意事项使用注意事项 P29-31P29-31V VIOIO、I IIOIO用作直流放大器时，用作直流放大器时，V VIOIO、I IIOIO应尽可能地应尽可能地 小。小。还可以外加调零电路（还可以外加调零电路（P30)P30)测试方法：测试方法：增益带宽积增益带宽积 A AV V*BWBW=C=C，器件指标给出的是单位

12、增益带宽积，器件指标给出的是单位增益带宽积 ，即，即A AV V=1=1时的带宽时的带宽输入电压输入电压 范围：范围：+13V,是指运放的工作电压为是指运放的工作电压为+15V，若工作电压为，若工作电压为+5V，则输入电压范围只能是，则输入电压范围只能是+3V输入电阻输入电阻Ri-差模输入电阻虽然很大，差模输入电阻虽然很大，UA741的的Ri 1M1M分析时分析时，仍需根据实际电路，决定是否能忽略。，仍需根据实际电路，决定是否能忽略。输出电阻输出电阻RO-输出电阻虽然很小，输出电阻虽然很小，UA741的的RO7575,但不能但不能接很重的负载，内部接很重的负载，内部限流电路使输出电流限流电路使

13、输出电流 30mA第13页，本讲稿共31页实验任务：实验任务：P63 实验与思考题实验与思考题 2.2.1 2.2.1 测试运放测试运放UA741UA741的性能参数的性能参数 AvAv BW BW、S SR R及及 K KCMRCMR，并与表，并与表2.2.22.2.2所所示的典型值相比较。示的典型值相比较。运算放大器的应用运算放大器的应用不测不测 V VIOIO、I IIOIO、A AVOVO第14页，本讲稿共31页第二部分第二部分 函数发生器设计函数发生器设计一一 、方波、方波-三角波函数发生器设计三角波函数发生器设计函数发生器能自动产生函数发生器能自动产生方波方波-三角波三角波-正弦波

14、。正弦波。其电路组成框图如图其电路组成框图如图3.4.1 所示所示.图图3.4.1 函数发生器组成框图函数发生器组成框图第15页，本讲稿共31页1、方波、方波-三角波产生电路三角波产生电路 电路图如图电路图如图3.4.2所示：所示：比较器比较器积分器积分器C1称为加速电容称为加速电容，可加速比，可加速比较器的翻转较器的翻转 R1称为平衡电阻称为平衡电阻 运放运放A1的反相端接基准电压，即的反相端接基准电压，即V=0;同相端接输入电压同相端接输入电压via；比较器的输出比较器的输出vo1的高电平约等于正电的高电平约等于正电源电压源电压+VCC，低电平约等于负电源电压低电平约等于负电源电压VEE(

15、+VCC=VEE)。当输入端当输入端V+=V-=0 时，比较器翻转，时，比较器翻转，V01或从或从+Vcc跳到跳到-Vee，或从，或从-Vee跳到跳到Vcc。运放运放A1与与R1、R2、R3、RP1组成电压比较器。组成电压比较器。第16页，本讲稿共31页Via=0若若Vo1 是从是从 Vee跳跳到到+Vcc 则则比较器的上门限电位为比较器的上门限电位为 Via+=-R2R3+RP1(-Vee)=R2R3+RP1(Vcc)设设 V01是从是从+Vcc跳到跳到-Vee，则则 R2+R3+RP1(+Vcc)R2 +R3+RP1 R2+R3+RP1整理上式整理上式,得比较器的下门限电位为得比较器的下门

16、限电位为 -R2 R3+RP1(+Vcc)=R3+RP1 -R2(Vcc)Via=V+=RP1指电位器的调整值指电位器的调整值(以下同以下同)第17页，本讲稿共31页 比较器的门限宽度比较器的门限宽度VH为为 VH=Via+Via=2 R2 R3+RP1Vcc由上面公式可得比较器的电压由上面公式可得比较器的电压传输特性，如图传输特性，如图3.4.3 所示。所示。图图3.4.3 比较器电压传输特性比较器电压传输特性从电压传输特性可见，当输从电压传输特性可见，当输入电压入电压Via从上门限电位从上门限电位Via+下降到下门限电位下降到下门限电位Via时，时，输出电压输出电压Vo1由高电平由高电平+

17、Vcc突变到低电平突变到低电平-Vee。比较器的传输特性比较器的传输特性第18页，本讲稿共31页 Vo2=-(+Vcc)(R4+RP2)C2 t=-Vcc(R4+RP2)C2 t当当Vo1=-Vee时，时，Vo2=-(-Vee)(R4+RP2)C2 t=Vcc(R4+RP2)C2ta点断开后，运算放大器点断开后，运算放大器A2与与 R4、RP2、R5、C2 组成反相积分器，组成反相积分器，其输入信号为方波其输入信号为方波Vo1时，则积分时，则积分器的输出器的输出 Vo2=-1(R4+RP2)C2当当Vo1=+Vcc时，时，Vo1dt第19页，本讲稿共31页 a点闭合，形成闭环点闭合，形成闭环

18、电路电路，则自动产生方，则自动产生方 波波-三角波，其波三角波，其波 形如图形如图3.4.4 所示。所示。图图3.4.4 方波方波三角波三角波 方方 波波-三角波的工作过程：三角波的工作过程：当比较器的门限当比较器的门限 电电 压为压为 Via+时输出时输出Vo1为高电平（为高电平（+Vcc)。这时积分器的输。这时积分器的输出（三角波出（三角波Vo2）随着电容的充电开始）随着电容的充电开始线性下降。线性下降。当当Vo2下降到比较器的下门限下降到比较器的下门限 电电 位位 Via 时，比较器翻转，输出时，比较器翻转，输出Vo1由高电由高电平跳到低电平。这时积分器输出（三平跳到低电平。这时积分器输

19、出（三角波角波Vo2）又随着电容的放电开始线）又随着电容的放电开始线性增加。如此反复，就可自动产生性增加。如此反复，就可自动产生方方 波波-三角波。三角波。时间常数 =(R4+RP2)C2决定输出幅度，当决定输出幅度，当 3*T/23*T/2输出为线性三角波输出为线性三角波 第20页，本讲稿共31页三角波的三角波的幅度幅度为：为：Vo2m=方波的方波的幅度幅度 略小于略小于 +Vcc 和和-Vee。方方 波波-三角波的幅度和频率三角波的幅度和频率 -1(R4+RP1)C2T40Vo1 dt=|-VCC|(R4+RP1)C2T4实际上，三角波的幅度实际上，三角波的幅度 也就是比较器的也就是比较器

20、的 门限电压门限电压Via+Vo2m=Via+=R2 R3+RP1 Vcc=-Vcc(R4+RP1)C2 T4 第21页，本讲稿共31页Vo2m=Vcc方方 波波-三角波三角波 的波频率为：的波频率为：=R3+RP14R2(R4+RP2)C2 R2R3+RP1 将上面两式整理可得三角波将上面两式整理可得三角波 的周期的周期 T ，而而 f=1/T三角波三角波 的幅度为：的幅度为：由此可见：由此可见：1、方波的幅度由、方波的幅度由+Vcc 和和 Vee决定；决定；2、调节电位器、调节电位器RP1，可调节三角波，可调节三角波 的幅度，但会影响其频率；的幅度，但会影响其频率；3、调节电位器、调节电位

21、器RP2，可调节方，可调节方 波波-三角波三角波 的频率，但不会影的频率，但不会影 响响 其幅度，可用其幅度，可用 RP2实现频率微调，而用实现频率微调，而用C2改变频率改变频率 范围。范围。第22页，本讲稿共31页三、函数发生器的性能指标三、函数发生器的性能指标 输出波形输出波形 正弦波、正弦波、方方 波、三角波波、三角波 频率范围频率范围 1Hz10Hz,10Hz100Hz,1001KHz,1KHz10KHz,10KHz100KHz,100KHz1MHz.输出电压输出电压 一般指输出波形的峰一般指输出波形的峰-峰值，即峰值，即 Vp-p=2Vm.波形波形 特性特性 表征正弦波特性的参数是非

22、线性失真表征正弦波特性的参数是非线性失真，一般要求，一般要求 3%；表征三角波特性的参数是非线性系数表征三角波特性的参数是非线性系数，一般要求一般要求 2%；表征方波特性的参数是；表征方波特性的参数是 上升时间上升时间 tr，一般要求，一般要求 tr100ns(1kHz，最大输出时，最大输出时)。第23页，本讲稿共31页四、设计举例四、设计举例（1 1）确定电路形式及元器件型号确定电路形式及元器件型号 例例 设计一方设计一方 波波-三角波三角波-正弦波正弦波函数发生器。函数发生器。函数发生器。函数发生器。性能指示要求性能指示要求 频频频频 率范围率范围率范围率范围 1Hz10Hz,10Hz10

23、0Hz;1Hz10Hz,10Hz100Hz;输出电压输出电压输出电压输出电压 方波方波方波方波V Vp-pp-p 24V24V，三角波，三角波，三角波，三角波V Vp-pp-p=8V=8V，正弦波正弦波正弦波正弦波V Vp-pp-p1V1V。采采用用如如图图3.4.9所所示示电电路路，其其中中运运算算放放大大器器A1与与A2用用一一只只双双运运放放 A747，差差分分放放大大器器采采用用本本章章第第三三节节设设计计完完成成的的晶晶体体管管单单端端输输入入 单单端端输输出出差差分分放放大大器器电电路路。因因为为方方波波的的幅幅度度接接近近电电源源电电压压，所所以以取取电电源源电电压压+VCC=+

24、12V，VEE=12V。波形特性波形特性波形特性波形特性 方波方波方波方波t tr r1 1 s(1kHzs(1kHz，最大输出时，最大输出时，最大输出时，最大输出时)三角波三角波三角波三角波 2%2%，正弦波，正弦波，正弦波，正弦波 5%5%第24页，本讲稿共31页 三角波三角波-方方 波波-正弦波函数发生器实验电路正弦波函数发生器实验电路图图3.4.9 三角波三角波方波方波正弦波函数发生器实验电路正弦波函数发生器实验电路此处引脚标号为此处引脚标号为uA747芯片的芯片的，而实验中用，而实验中用741芯片，引脚芯片，引脚号不同，插板时一定要注意。号不同，插板时一定要注意。第25页，本讲稿共3

25、1页（2）计算元件参数 当当1Hzf10Hz时，取时，取C2=10 F，R4=5.1k，RP2=100k ；当当 10Hzf100Hz时，取时，取C2=1 F，以实现频率波段的转，以实现频率波段的转 换换；R4及及RP2的取值不变。取平衡电阻的取值不变。取平衡电阻R5=10k。R VccR3+RP1=Vo2m=412 =1 3取取R2=10k，取，取R3=20k,RP1=47k,平衡电阻平衡电阻R1=R2/(R3+RP1)10k R4+RP2=R3+RP14 R2 C2 指标要求：指标要求：VOPP=8V第26页，本讲稿共31页三角波三角波正弦波电路的参数选择原则是：正弦波电路的参数选择原则是

26、：隔直电隔直电容容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，要取得较大，因为输出频率很低，取取C3=C4=C5=470 f，滤波电容，滤波电容C6的取值视输出的波的取值视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则形而定，若含高次谐波成分较多，则C6一般为几十一般为几十皮法至皮法至0.1 F。RE2=100 与与RP4=100 相并联，以减相并联，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通过观测传输特性 曲线、调整曲线、调整RP4及电阻及电阻R*来确定。来确定。第27页，本讲稿共31页五、电路安装与调试技术五、电路安装与调

27、试技术 1、方、方 波波-三角波发生器的装调三角波发生器的装调由于比较器由于比较器A1与积分器与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路需同时安装。要注意的是，在安装电三角波，故这两个单元电路需同时安装。要注意的是，在安装电位器位器RP1与与RP2之前，先将其调整到设计值，否则电路可能会不起之前，先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。如果电路接线正确，则在接通电源后，振。如果电路接线正确，则在接通电源后，A1的输出的输出vo1为方波为方波，A2的输出的输出vo2为三角波，在低频点时，微调为三角波，在低频点时，微调RP1，使三角波

28、的输，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，再调节出幅度满足设计指标要求，再调节RP2，则输出频率连续可变。，则输出频率连续可变。第28页，本讲稿共31页3、误差分析、误差分析 方波输出电压方波输出电压Vp-p2VCC，是因为运放输出级由，是因为运放输出级由NPN型或型或PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出幅度小于电源电压值。输出幅度小于电源电压值。方波的上升时间方波的上升时间tr，主要受运放转换速率的限制。如果输出

29、，主要受运放转换速率的限制。如果输出频率较高，则可接入加速电容频率较高，则可接入加速电容C1(C1一般为几十皮法一般为几十皮法)。可用示。可用示 波器测量波器测量tr。第29页，本讲稿共31页六、设计任务六、设计任务:P103 设计课题：方波设计课题：方波设计课题：方波设计课题：方波三角波函数发生器设计三角波函数发生器设计 已知条件已知条件已知条件已知条件 双运放双运放双运放双运放 A747A747一只（或一只（或一只（或一只（或 A741A741两只）两只）两只）两只）性能指标要求性能指标要求性能指标要求性能指标要求 频率范围频率范围频率范围频率范围 100Hz1kHz100Hz1kHz，1

30、kHz10kHz1kHz10kHz；输出电压输出电压输出电压输出电压 方波方波方波方波V Vp-pp-p24V24V，三角波，三角波，三角波，三角波V Vp-pp-p=6V=6V，波形特性波形特性波形特性波形特性 方波方波方波方波t tr r3030 s(1kHzs(1kHz，最大输出时，最大输出时，最大输出时，最大输出时)，三角波三角波三角波三角波 2%2%。设计步骤与要求设计步骤与要求设计步骤与要求设计步骤与要求 参考本章第一节。参考本章第一节。参考本章第一节。参考本章第一节。实验仪器设备实验仪器设备实验仪器设备实验仪器设备 同本章第一节。同本章第一节。同本章第一节。同本章第一节。第30页，本讲稿共31页实验报告中应注意的问题：实验报告中应注意的问题：整洁，不要双面写、涂改数据、。整洁，不要双面写、涂改数据、。内容要全：内容要全：1、原理图、原理图、2、二个设计过程；、二个设计过程；3、两种电路的特性比较和分析；、两种电路的特性比较和分析；4、Ri、Ro测试接线图；测试接线图；5、缺缺PSPICE仿真结果仿真结果 作图：接地、画节点；作图：接地、画节点；标元器件参数；标元器件参数；用直尺和铅笔作图用直尺和铅笔作图 用坐标纸画波形用坐标纸画波形第31页，本讲稿共31页