项目2_集成运算放大器的测试与应用设计.ppt

模块2-1 负反馈放大器的性能测试,项目2 集成运算放大器的测试与 应用设计,一、反馈的基本概念,外部反馈,将电子系统输出回路的电量（电压或电流），送回到输入回路的过程。,含有反馈电路的放大器称为反馈放大器。,一、反馈的基本概念,反相输 入端,同相输入端,输出端,一、反馈的基本概念,反馈通路信号反向传输的渠道,开环 无反馈通路,闭环 有反馈通路,反馈通路 （反馈网络）,信号的正向传输,基本放大器和反馈网络,三、负反馈原理,这就是负反馈,任务2.1.1负反馈放大器提高增益 稳定性的测试,做一做,测试电路如图所示，其中r1 =33k，r2 =10k，r3=2k，r4=680，r5=20k，rf1=2k，rf2=470，c1= c2= cf=100f，c3=470f，c4=510pf， cp1=470f，cp2=0.01f，vt为s9013，耳机阻抗（单路）rl=30。,任务负反馈放大器提高增益稳定性的测试, 由cd唱机输出音乐信号作为ui接入输入端（幅度较大时应衰减至10mv左右），用耳机在放大器输出端监听音乐信号，与第一次（上一次）监听效果比较，判断信号是否正常并进行现象描述（如有明显失真，则应继续减小ui）。,任务负反馈放大器提高增益稳定性现象的主观测试,结论：接入反馈电阻rf1后，放大器输出端音乐信号音量_（大大增加/基本不变/大大减小），即引入该反馈后，放大器的增益_（大大增加/基本不变/大大减小）。这说明该放大器中_（引入的反馈为负反馈/无反馈/引入的反馈为正反馈）。, 保持步骤，继续用耳机在放大器输出端监听音乐信号，但同时用一30电阻并联接在放大器输出端，并与第三次（上一次）监听效果比较音量大小。,结论：放大器输出端另并接30电阻后，放大器输出音乐信号音量_（大大增加/仍基本不变/大大减小），即负载电阻减小（或增加）后，该反馈放大器的_（电压/电流）增益_（大大增加/仍基本不变/大大减小）。这说明该反馈放大器_（具有/不具有）稳定_（电压/电流）增益的作用，但同时增益也_（上升了/基本不变/下降了）。,任务负反馈放大器提高增益稳定性现象的主观测试,任务2.1.2负反馈放大器改善 频率失真现象的主观测试,做一做,任务负反馈放大器改善频率失真现象的主观测试,测试电路如图所示，其中r1 =33k，r2 =10k，r3=2k，r4=680，r5=20k，rf1=2k，rf2=470，c1= c2= cf=100f，c3=470f，c4=510pf， c5=0.1f，cp1=470f，cp2=0.01f，vt为s9013，耳机阻抗（单路）rl=30。,任务负反馈放大器改善频率失真现象的主观测试, 保持步骤，接入c5 ，由cd唱机输出音乐信号作为ui接入输入端，用耳机在放大器输出端监听音乐信号，与第二次（上一次）监听效果比较，判断信号是否正常并进行现象描述。, 保持步骤，接入反馈电阻rf1 ，用耳机在放大器输出端监听音乐信号（如音量过小，可适当增加ui），并与第三次（上一次）监听效果比较。判断信号是否正常并进行结果描述。,任务负反馈放大器改善频率失真现象的主观测试,五、负反馈扩展放大器通频带原理,任务2.1.3负反馈放大器改善非线性失真现象的主观测试,做一做,任务负反馈放大器改善非线性失真现象的主观测试,测试电路如图所示，电路中r1 =33k，r2 =10k，r3=2k，r4=680，r5=20k，rf1=2k，rf2=470，c1= c2= cf=100f，c3=470f，c4=510pf， cp1=470f，cp2=0.01f，vt为s9013，耳机阻抗（单路）rl=30。,任务负反馈放大器改善非线性失真现象的主观测试, 保持步骤，接入反馈电阻rf1 ，继续用耳机在放大器输出端监听音乐信号。调节ui幅度，使输出音乐信号音量大体与第三次（上一次）相同，并与第三次监听效果比较。判断此时输出信号是否正常并进行结果描述。,任务负反馈放大器改善非线性失真现象的主观测试,六、负反馈减小放大器非线性失真原理,非线性,七、反馈的性质、形式及其判别,1.正反馈和负反馈,正反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变大了。,负反馈：输入量不变时，引入反馈后输出量变小了。,另一角度,正反馈：引入反馈后，使净输入量变大了。,负反馈：引入反馈后，使净输入量变小了。,判别方法：瞬时极性法。即在电路中，从输入端开始，沿着 信号流向，标出某一时刻有关节点电压变化的斜率 （正斜率或负斜率，用“+”、“-”号表示）。,图4.25 用瞬时极性法判断反馈的性质,1.正反馈和负反馈,净输入量,(+),(+),(-),(-),净输入量,负反馈,正反馈,反馈通路,反馈通路,七、反馈的性质、形式及其判别,1.正反馈和负反馈,七、反馈的性质、形式及其判别,1.正反馈和负反馈,级间反馈通路,净输入量,级间负反馈,七、反馈的性质、形式及其判别,2.交流反馈和直流反馈,根据反馈到输入端的信号是交流，还是直流，或同时存在，来进行判别。,交、直流负反馈,七、反馈的性质、形式及其判别,3.电压反馈和电流反馈,七、反馈的性质、形式及其判别,3.电压反馈和电流反馈,判断电压反馈、电流反馈可采用短路法或开路法。 短路法是假定把放大器的负载短路，使uo0，这时如果反馈信号为零（即反馈不存在），则为电压反馈；如果反馈信号不为零（即反馈仍然存在），则为电流反馈。 开路法是假定把放大器的负载开路，使io0,这时如果反馈不存在，则为电流反馈；如果反馈仍存在，则为电压反馈。,七、反馈的性质、形式及其判别,3.电压反馈和电流反馈,反馈信号为零,电压反馈,规律：若输出信号与反馈信号接在同一个输出端，则为电压反馈。 若输出信号与反馈信号接在不同的输出端，则为电流反馈。,七、反馈的性质、形式及其判别,4.并联反馈和串联反馈,七、反馈的性质、形式及其判别,4.并联反馈和串联反馈,判断串联反馈、并联反馈方法： 假定把放大器的输入端短路，这时如果反馈信号为零（即反馈不存在），则为并联反馈；如果反馈信号不为零（即反馈仍然存在），则为串联反馈。,七、反馈的性质、形式及其判别,4.并联反馈和串联反馈,规律：若输入信号和反馈信号接在不同的输入端，则为串联反馈 若输入信号和反馈信号接在同一个输入端，则为并联反馈,八、负反馈放大器的组态,由此可组成四种阻态：,输入端：反馈信号在输入端的联接分为串联和并联两种方式。,输出端：反馈信号在输出端分为取电压和取电流两种方式。,电压串联,电压并联,电流串联,电流并联,1. 类型,（1）电压串联负反馈 基本放大器和反馈网络的连接方式： 输入端：串联连接，即输入端为电压比较； 输出端：并联连接，即输出端为电压采样。,八、负反馈放大器的组态,2. 负反馈的组态,八、负反馈放大器的组态,（2）电流并联负反馈 基本放大器和反馈网络的连接方式： 输入端：并联连接，即输入端为电流比较； 输出端：串联连接，即输出端为电流采样。,2. 负反馈的组态,八、负反馈放大器的组态,2. 负反馈的组态,（3）电压并联负反馈 在ii一定时，若由于rl减小使输出电压uo（指幅值，下同）下降，则有下述自动调整过程： 其结果使输出电压趋于稳定，即电压并联负反馈放大器具有稳定输出电压的特点。 显然，电压并联负反馈电路的信号源应为电流源。,八、负反馈放大器的组态,2. 负反馈的组态,（4）电流串联负反馈 基本放大器和反馈网络的连接方式： 输入端：串联连接，即输入端为电压比较； 输出端：串联连接，即输出端为电流采样。,九、负反馈放大器的方框图及其计算,1.负反馈放大器的方框图,九、负反馈放大器的方框图及其计算,2.负反馈放大器的计算,基本关系： 净输入信号 开环放大倍数 反馈系数 闭环放大倍数 对于不同的组态的负反馈， 和 有四种表示形式，故 与 一样，也有四种表示形式,九、负反馈放大器的方框图及其计算,2.负反馈放大器的计算,反馈深度,负反馈,九、负反馈放大器的方框图及其计算,2.负反馈放大器的计算,深度负反馈,在深度负反馈条件下，闭环放大倍数只取决于反馈系数，而与基本放大器几乎无关,结论：,九、负反馈放大器的方框图及其计算,3.深度负反馈的特点,即，深度负反馈条件下，闭环增益只与反馈网络有关,由于,则,又因为,代入上式,得,输入量近似等于反馈量,净输入量近似等于零,由此可得深度负反馈条件下，基本放大电路“两虚”的概念,九、负反馈放大器的方框图及其计算,3.深度负反馈的特点,串联负反馈，输入端电压求和。,深度负反馈条件下,虚短,虚断,虚短,虚断,并联负反馈，输入端电流求和。,十、负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的控制,1.串联负反馈对输入电阻的控制,十、负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的控制,2.并联负反馈对输入电阻的控制,十、负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的控制,3.电压负反馈对输出电阻的控制,十、负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的控制,4.电流负反馈对输出电阻的控制,引入负反馈的一般原则,1要稳定直流量（如静态工作点），引入直流负反馈； 要改善交流性能，引入交流负反馈。,2要稳定输出电压，或减小输出电阻，引入电压负反馈； 要稳定输出电流，或增大输出电阻，引入电流负反馈。,3要提高输入电阻，或减小放大器向信号源索取的电流， 引入串联负反馈；要减小输入电阻，引入并联负反馈。,4信号源为电压源时引入串联负反馈， 信号源为电流源时引入并联负反馈。,模块2-3 集成运放基本应用电路的测试,项目2 集成运算放大器的测试与 应用设计,一、集成电路（ic，即integrated circuits）的分类与封装,扁平式,双列直插式,单列直插式,1.集成电路的封装形式,一、集成电路（ic，即integrated circuits）的分类与封装,2.集成电路的分类,按照集成度分,小规模集成电路（ssi） 中规模集成电路（msi） 大规模集成电路（lsi） 超大规模集成电路（vlsi）,按照导电类型分,双极型（bjt型） 单极型（mos型）,一、集成电路（ic，即integrated circuits）的分类与封装,2.集成电路的分类,按功能分,模拟集成电路（ai） 数字集成电路（di）,按封装形式不同分,扁平式,双列直插式,单列直插式,二、模拟集成电路的电性能特点,1.电路结构和元器件参数具有对称性,2.采用有源元器件,3.放大器级间耦合方式为直接耦合,4.二极管由bjt形成,三、集成运放及其基本组成,由差动放大器构成，以减小运放的零漂,中间级由一级或两级有源负载放大器构成，以提高运放的输出功率和带负载能力,三、集成运放及其基本组成,集成运放的应用,夜灯自动点亮电路,集成运放作为通用的器件，它的应用十分广泛，包括模拟信号的运算、放大、滤波、产生以及进行各种线性和非线性的处理等。,线性集成运放一般工作在深度负反馈的闭环状态 而非线性集成运放则工作在正反馈或开环状态。,线性区：曲线斜率为电压放大倍数u0 =aod (up -un), aod很大， 线性区非常窄。 非线性区：输出电压只有两种可能的情况， +uom 或- uom 。,集成运放有两个工作区：线性区、非线性区,如右图所示为集成运放的电压传输特性， 它表示输出电压与输入电压之间的关系。,一、理想运放：为了简化分析，在实际分析过程中常常把集成运放理想化。理想运放具有下述的理想参数：,3.输出电阻rod=0,7.干扰和噪声均不存在,由于线性工作时需引入深度负反馈, 由第4章深度负反馈的讨论可知: 净输入ui=0, (虚短) up = un,净输入 ii=0 (虚断),虚短和虚断是集成运放分析中的两个重要概念,uo,ui净,ii,一、比例运算电路,为提高精度，一般取,电压并联负反馈,假设电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立,1.反相比例运算电路,利用虚短和虚断得,输出与输入反相,运算放大器输入端无共模信号 运算电路输入电阻较小,2.同相比例运算电路,利用虚短和虚断得,运算放大器输入端有共模信号 运算电路输入电阻很大,输出与输入同相,一、比例运算电路,任务2.3.1 加法电路的测试,做一做,查集成电路管脚图的方法,借助手册资料查管脚图 借助网站直接搜索该集成块 利用专门的芯片资源搜索网站查询 如,芯片资源搜索网站,lm324是四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，四组相互独立。,lm324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点。,参考: 集成块位置 正负电源接法 输入输出接法,任务 加法电路的测试,测试电路如图所示加法电路，电路中r1、r2和rf均为10k，运放为324。, 接好图示加法电路，并接入+vcc = +12v，vcc =12v。, 保持步骤，接入us1为0.1v，5khz的正弦波信号，不接us2。,结论： 输出电压幅值与输入电压幅值_（基本相等/相差很大），即电压放大倍数与rf/r1值_（基本相等/相差很大），且输出电压与输入电压相位_（相同/相反）。, 保持步骤，将rf改为10k。, 保持步骤，接入us1和us2均为0.1v，5khz的正弦波信号，用示波器dc输入端观察输出电压和输入电压us2波形，画出各波形并记录：,结论： 该电路_（能/不能）实现输入电压相加uo=(us1+us2)，且输出电压相对于输入电压是_（正极性的/负极性的）。,任务 加法电路的测试, 保持步骤，改接us2为1v，500hz的方波信号，用示波器dc输入端观察输出电压和输入电压us2波形，并记录各波形。,任务 加法电路的测试,根据虚短、虚断和n点的kcl得：,若,则有,（加法运算）,输出再接一级反相电路,可得,二、加法电路,任务2.3.2 减法电路的测试,做一做,测试电路如图所示加法电路，电路中r1, r2, rf1和rf2均为1k，运放为324。, 接好图示减法电路，并接入+vcc = +12v，vcc =12v。,任务 减法电路的测试, 保持步骤，接入us1和us2均为0.1v，5khz的正弦波信号，用示波器dc输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：,结论：输出电压幅值与输入电压幅值相比_（基本为0/基本相等/要大得多），即该电路_（能/不能）实现输入电压相减（uo= us1us2）。, 保持步骤，改接us2为1v，500hz的方波信号，用示波器dc输入端观察输出电压和输入电压us2波形，并记录各波形。,任务 减法电路的测试,三、减法电路（一）,第一级反相比例,第二级反相加法,即,当 时,得,（减法运算）,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和n、p点的kcl得：,三、减法电路（二）,任务2.3.3 积分电路的测试,做一做,测试电路如图所示，电路中r为1k，c为0.1f，运放为mc4558。, 接好图示积分电路，并在c两端并接一个100 k电阻（引入负反馈并启动电路，该电阻取值应尽可能大，但也不宜过大），并接入+vcc = +15v，vcc =15v。,任务 积分电路的测试, 保持步骤，接入us为1v，1khz的方波（双极性）信号，用示波器dc输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：输入电压波形为 （正弦波/方波/三角波），而输出电压波形为 （正弦波/方波/三角波），因此该电路_（能/不能）实现积分运算。,式中，负号表示uo与us在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,即,因此,电容器被充电，其充电电流为,设电容器c的初始电压为零，则,（积分运算）,四、简单积分电路,任务2.3.4 微分电路的测试,做一做,测试电路如图所示，电路中r为1k，c为0.1f，运放为mc4558。, 接好图示微分电路，并在电容c支路中串接一个51电阻（防止产生过冲响应），并接入+vcc = +15v，vcc =15v。,任务 微分电路的测试, 保持步骤，接入us为1v，1khz的三角波（双极性）信号，用示波器dc输入端观察输出、输入电压波形，画出各波形并记录：输入电压波形为 （正弦波/方波/三角波），而输出电压波形为 （正弦波/方波/三角波），因此该电路_（能/不能）实现微分运算。,根据虚地和虚断有：,ui=0，ii=0，i2= i1,设t=0时，电容c上的初始电压为0,则接入信号电压us时有,五、微分电路,任务2.3.5简单电压比较器的测试,做一做,测试电路如图所示，电路中运放为mc4558。, 接好图示电路，两输入端分别串接一个1k电阻，并接入+vcc = +15v，vcc =15v。,任务简单电压比较器的测试, 保持步骤，接入uref=2v（用数字万用表精确测量）的直流电压。, 保持步骤，接入ui=3v，用万用表测量输出直流电压大小，并记录：uo=_v，_（输出高电平uoh/输出低电平uol）。, 保持步骤，接入ui=1v，用万用表测量输出直流电压大小，并记录：uo=_v，_（输出高电平uoh/输出低电平uol）。,任务简单电压比较器的测试, 保持步骤，微调ui，使ui在1v至3v之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：恰好出现高电平向低电平翻转或低电平向高电平翻转时的ui=_v（精确测量），此值与uref值_（很接近/有较大差距）。,结论：该电路_（能/不能）实现电压比较的作用,电压比较器,电压传输特性,upun,uo=uoh,up un,uo=uol,过零比较器,简单电压比较器,任务2.3.6 迟滞电压比较器的测试,做一做,测试电路如图所示，其中r1, r2为1k，r3为3.3k，r4为330，vdz为1n4740（uz=10v），运放为mc4558。, 接好图示电路，并接入+vcc = +15v，vcc =15v, 保持步骤，接入ui=uref =0（直接接地），用万用表测量输出直流电压大小，并记录：uo=_v，为_（输出高电平uoh/输出低电平uol）。,任务迟滞电压比较器的测试, 保持步骤，微调ui，使ui在1v之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，并记录：uo_（无变化/产生翻转）。, 保持步骤，微调ui ，使ui在5v之间变化，用万用表测量并观察输出直流电压的变化情况，绘出该比较器的传输特性。,任务迟滞电压比较器的测试,叠加定理,阈值电压1,传输特性,迟滞电压比较器,阈值电压2,实训2 集成运算放大器的应用设计,项目2 集成运算放大器的测试与 应用设计,电压增益au40db（f=1khz时） 音频信号源幅度ui（有效值）1v，频率f=0.110khz 高音（10khz）与低音（0.1 khz）相对增益最大可控变化比12 db 负载（耳机）阻抗rl=30 输出信号失真度thd1.0% 可实现双声道与单声道之间的转换。 2、任务要求：完成原理图设计、元器件选型、电路装接与调试、电路性能检测、设计文档编写,1、设计指标：,完成原理图设计、 元器件选型、 电路装接与调试、 电路性能检测、 设计文档编写,2任务要求,设计内容（示例）,（1）电路组成结构设计,图5-14 电路组成结构框图,设计内容（示例）,（2）电路原理图设计,图5-15,设计内容（示例）,（3）计算电路中各元器件参数,低音、高音调调节电路图5-17所示。,设计内容（示例）,（3）计算电路中各元器件参数,电容cl1=cl2远远大于cl5,由于cl5值较小，对于低音频相当于开路，,电阻rl1、rl2、rl3、rw1a不能取得太大，否则运放漂移电流的影响不可忽略，但也不能太小，否则流过它们的电流将超出运放的输出能力。一般取几千欧几百千欧。,暂取 rl1=rl2=rl3=47k rw1a=500k,图5-18 低音调节电路,设计内容（示例）,（3）计算电路中各元器件参数,取标称值0.01f，即cl1=cl2=0.01f。,设计内容（示例）,（3）计算电路中各元器件参数,当输入信号频率为远远小于fl1的低音频信号时，cl1，cl2的阻抗较大，可以认为是断路。此时的电路对于低音是一个反相比例运放，,当电位器rw