比例放大器设计

1、实验三 比例放大电路的设计一.实验目的1 .掌握集成运放线性应用电路的设计方法。2 .掌握电路的安装、调试与电路性能指标的测试方法。.预习要求1 .根据给出的指标，设计电路并计算电路的有关参数。2 .画出标有元件值的电路图，制定出实验方案，选择实验仪器设备。3 .写出预习报告三.比例放大电路的特点、设计与调试(一).反相比例放大电路1.反相比例放大电路的特点由运算放大器组成的反相比例放大电 路如图1所示。根据集成运算放大器的基本原理，反 相比例放大电路的闭环特性为：闭环电压增益：输入电阻输出电阻RfRiRf(1)图1反相比例放大器其中：A uo为运放的开环电压增益,Ro1 KAuo(3)环路带

2、宽BWfBWo Auo旦RfR1R1Rf(4)其中：BWo为运放的开环带宽。i最佳反馈电阻Rf JRd Ro=JRd Ro(1 Af)(5)f 2K2上式中：Rid为运放的差模输入电阻，Ro为运放的输出电阻。平衡电阻RP R/Rf(6)从以上公式可以看出，由运算放大器组成的反相输入比例放大电路具有以下特性：(1)在深度负反馈的情况下工作时，电路的放大倍数仅由外接电阻R1和Rf的值决定。(2)由于同相端接地，故反相端的电位为“虚地”，因此，对前级信号源来说，其负载不是运放本身的输入电阻，而是电路的闭环输入电阻R1。由于Rif = R1,因此反相比例放大电路只适用于信号源对负载电阻要求不高的场合(

3、小于500k Q)(3)在深度负反馈的情况下，运放的输出电阻很小。2.反相比例放大电路的设计反相比例放大电路的设计，就是根据给定的性能指标，计算并确定运算放大器的各项参 数以及外电路的元件参数。例如，要设计一个反相比例放大电路，性能指标和已知条件如下：闭环电压增益Auf,闭环带宽BWf,闭环输入电阻 Rif,最小输入信号 Ulmin,最大输出电压 UOmax,负载电阻Rl, 工作温度范围。设计步骤如下：(1)选择集成运算放大器选用集成运算放大器时，应先查阅有关产品手册，了解以下主要参数：运放的开环电 压增益Auo,运放的开环带宽BW。，运放的输入失调电压 Uio、输入失调电压温漂Uio/ T,

4、输入失调电流%、输入失调电流温漂Iio/ T,输入偏置电流Iib ,运放的差模输入电阻 Rid和输出电阻Ro等。为了减小比例放大电路的闭环电压增益误差，提高放大电路的工作稳定性，应尽量选 用输入失调参数小，开环电压增益和差模输入电阻大，输出电阻小的集成运放。为了减小比例放大电路的动态误差，(主要是频率失真与相位失真)，集成运算放大器 的增益带宽积Au BW和转换速率Sr还应满足以下关系：Au - BW > I A Ui7 I , BWfSr > 2 兀 fmaxUOmax上式中，fmax是输入信号的最高工作频率。Uomax是集成运算放大器的最大输出电压。(2)计算最佳反馈电阻按以下

5、公式计算最佳反馈电阻：口|R"T|Rid R(1 Auf)Rf. 2K = .2I Omax , Rf 值为了保证放大电路工作时，不超过集成运算放大器所允许的最大输出电流 的选取还必须满足：Rf RL US空。I O m ax如果算出来的Rf太小，不满足上式时，应另外选择一个最大输出电流lomax较大且能满足式(1)中要求的运算放大器。在放大倍数要求不高的情况下，可以选用比最佳反馈电阻值 大的Rf。(3)计算输入电阻R1RfR1Au；由上式计算出来的Ri必须大于或等于设计要求规定的闭环输入电阻Rif。否则应改变Rf的值，或另选差模输入电阻高的集成运算放大器。(4)计算平衡电阻RpRp

6、=RiRf(5)计算输入失调温漂电压Ui 1 且 & T Ri 叫O TRf dTdT要求 A U i << U Imin o般应使 Ulmin > 100 AUI,这样才能使温漂引起的误差小于1%。若A Ui不满足要求，应另外选择漂移小的集成运算放大器。3.反相比例放大电路的调试与性能测试(1)消除自激振荡按照所设计的电路和计算的参数，选择元件，安装电路，弄清集成运放的电源端，调 零端、输入与输出端。根据所用运放的型号和Auo的大小，考虑是否需要相位补偿。若需要相位补偿，应从使用手册中查出相应的补偿电路及其元件参数。当完成相位补偿后，将放大电路的输入端接地，检查无误

7、后，接通电源。用示波器观察 其输出端是否有振荡波形。若有振荡波形，应适当地调整补偿电路的参数，直至完全消除自 激振荡为止。在观察输出波形时，应把噪声波形和自激振荡波形区分开来。噪声波形是一个 频率不定，幅值不定的波形，自激振荡波形是一个频率和幅度固定的周期波形。(2)调零把输入端接地，用直流电压表测量输出电压，检查输出电压Uo是否等于零，若Uo不等于零，应仔细调节运放的调零电位器，使输出电压为零。(3)在输入端加入Ui=0.1V的直流信号，用直流电压表测量输出电压。将测量值与计算值 进行比较，看是否满足设计要求。(4)观察输出波形在输入端加入f=1000Hz , Um=1V的交流信号，用示波器

8、观察输出波形，若输出波形出 现“平顶形”失真，表明运放已进入饱和区工作，此时应提高电源电压，以消除“平顶形”RiRf图2同相比例放大器F=Ri/(Ri+Rf)为反失真。(二)同相比例放大电路1 .同相比例放大电路的特点由运算放大器组成的同相输入比例 放大电路如图2所示。同相放大器的电压放大倍数为：A 迎Rl 1旦uf U IR1R1同相放大器的输入电阻为：(8)A u。是集成运放的开环电压增益,Rif=Ri/Rf+Rid (1+Au。？ F)其中：Rid是运放的差模输入电阻, 馈系数。输出电阻：R。放大器同相端的直流平衡电阻为：Rp = Rf / Rio(9)放大器的闭环带宽为：BWf A。B

9、W。(i0)Auf-I Rd R Af最佳反馈电阻Rf J (ii)22 .同相比例放大电路的设计要求设计一个同相比例放大电路，性能指标和已知条件如下：闭环电压放大倍数Auf,闭环带宽BWf,闭环输入电阻Rif,最小输入信号 Ulmin,最大输出电压 Uomax,负载电阻Rl, 工作温度范围。设计步骤：(i)选择集成运算放大器在设计同相放大器时，对于所选用的集成运算放大器，除了要满足反相比例放大电路设计中所提出的各项要求外，集成运放共模输入电压的最大值还必须满足实际共模输入信号 的最大值。并且要求集成运放具有很高的共模制比。当要求共模误差电压小于AUoc时,集成运放的共模抑制比必须满足：, ,

10、U ICK CMR Aufu OC式中：Uic是运放输入端的实际共模输入信号。AUoc是运放的共模误差电压。（2）元件参数的计算1）按以下公式计算最佳反馈电阻：RfRdRoAuf2）按以下公式计算 R1R人1 % 1为了保证电路工作时，不超过集成运放的最大输出电流 下关系：lOmax, Rl、Rf和Ri还必须满足以%/(RfRi)U O maxI O max3）计算平衡电阻Rp 考虑到信号源内阻Rs的影响,（3）计算输入失调温漂电压Rp= (RiRf) -RsUiu IOTRp要求 A U i<<U Imin o般应使Ulmin>100 A Ui,这样才能使温漂引起的误差小于

11、1%。如果计算出来的A Ui不满足要求，应另外选择漂移小的集成运算放大器。3 .同相比例放大电路的调试与性能测试（具体步骤与反相比例放大电路相同）四.实验内容1.反相比例放大器的设计、安装与测试设计与安装一个反相比例放大器，使之满足Auf = 5 （Rf、Ri、R自选）。1）输入Ui = +1.5V的直流信号，用直流电压表测量输出电压Uo2）输入f = 1kHz, Uim = 0.2V的交流信号，用示波器测量输出电压 压与输入电压之间的相位差。2.同相比例放大器的设计、安装与测试设计与安装一个同相比例放大器，使满足Auf = 6。1）输入Ui = +1.5V的直流信号，用直流电压表测量输出电压Uo。2）输入f = 1kHz, Uim = 0.2V的交流信号，用示波器测量输出电压 压与输入电压之间的相位差。3。电压跟随器的设计、安装与测试设计与安装一个电压跟随器，使满足Uo = Ui的关系。1）输入Ui =+1.5V的直流信号，用直流电压表测量输出电压 Uo。2）输入f =1kHz, Uim = 0.2V的交流信号，用示波器测量输出电压Uo的幅值Uom、Uo的幅值U°m、Uo的幅值Uom、输出电输出电输出电压与输入电压之间的相位差。4 加法器的设计、 安装与测试设计与安装一个加法器电路，使满足Uo = (10 Uil + 2 Ui2), Rf、R1、R