函数发生器的制作

1、2022-2-8ReturnNextPreviousContentsEndn运算放大器（简称运算放大器（简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合，）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（）的高增益（gain）电压放大器，因为刚）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。n目前运算放大器广泛应用于家电，工业以及科学仪器领域。目前运算放大器广泛应用于家电，工业以及科学仪器领域。一般用途的集成

2、电路运算放大器售价大约一元钱，且现在运一般用途的集成电路运算放大器售价大约一元钱，且现在运算放大器的设计已经非常可靠，即使输出端直接短路到系统算放大器的设计已经非常可靠，即使输出端直接短路到系统的接地端（的接地端（ground）也不至于被短路电流（）也不至于被短路电流（short-circuit current）破坏。）破坏。 ReturnNextPreviousContentsEndn通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（）连接，形成一负反馈（negative feedb

3、ack）组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数百组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数百万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正反馈（表运算放大器不能连接成正反馈（positive feedback）组态，相反）组态，相反地，在很多需要产生振荡信号的系统中，正反馈组态的运算放大地，在很多需要产生振荡信号的系统中，正反馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。器是很常见的组成元件。n运算放大器有许多的规格参数，例如：低频开环增益、单位增益运算放大器有许多的规格参数，例如：低

4、频开环增益、单位增益频率（频率（unity-gain frequency）、摆率（）、摆率（slew rate）、共模抑制比）、共模抑制比（common-mode rejection ratio）、输入失调电压、输出摆幅、共）、输入失调电压、输出摆幅、共模输入范围（模输入范围（input common-mode range）、功耗以及噪声等。）、功耗以及噪声等。 ReturnNextPreviousContentsEndn第一个使用真空管设计的运算放大器大约在第一个使用真空管设计的运算放大器大约在1930年前后完成，这年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。个放大器可以执行加与减的工作。

5、u运算放大器最早被设计出来的目的是用电压模拟数字，用来进行加、运算放大器最早被设计出来的目的是用电压模拟数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也就成为了实现模拟计算机（减、乘、除的运算，同时也就成为了实现模拟计算机（analog computer）的基本建构方块。例如中国坦克火控系统早期在）的基本建构方块。例如中国坦克火控系统早期在79式坦式坦克上就安装了模拟弹道计算机；当然现在的克上就安装了模拟弹道计算机；当然现在的99式坦克安装的是数字式坦克安装的是数字化的弹道计算机化的弹道计算机 。u然而，然而，理想运算放大器理想运算放大器在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除在电路系统设计上的用途却

6、远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真）或真空管（空管（vacuum tube）、分立式（）、分立式（discrete）元件或集成电路）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。运算放大器的要求。u早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件，但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的性能元件，但是如果系统对于放

7、大器的需求超出集成电路放大器的性能时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。ReturnNextPreviousContentsEndn1960年代晚期，年代晚期，仙童半导体仙童半导体（Fairchild Semiconductor）推出了第一个被广泛使用的）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为集成电路运算放大器，型号为A709，设计者，设计者则是则是鲍伯鲍伯韦勒韦勒（Bob Widlar）。但是）。但是709很快很快地被随后而来的新产品地被随后而来的新产品A741取代，取代，741有着有着更好的效能，更为稳定

8、，也更容易使用。更好的效能，更为稳定，也更容易使用。n741运算放大器成了微电子工业发展历史上一运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产仍然在生产741，而且在元件的型号上一定会，而且在元件的型号上一定会加上加上“741”以资区别。但事实上后来仍有很以资区别。但事实上后来仍有很多效能比多效能比741更好的运算放大器出现，利用新更好的运算放大器出现，利用新的半导体元件，如的半导体元件，如1970年代的场效应晶体管年代的场效应晶体管（JFET

9、）或是）或是1980年代早期的金属氧化物半年代早期的金属氧化物半导体场效应晶体管（导体场效应晶体管（MOSFET）等。这些元）等。这些元件常常能直接使用在件常常能直接使用在741的电路架构中，而获的电路架构中，而获得更好的效能。得更好的效能。ReturnNextPreviousContentsEndn通常运算放大器的规格都会有严格的限制，而通常运算放大器的规格都会有严格的限制，而封装封装和对电源供应和对电源供应的需求也已经标准化。通常只需要少量的外接元件（的需求也已经标准化。通常只需要少量的外接元件（external devices），运算放大器就能执行各种不同的模拟信号处理任务。），运算放大

10、器就能执行各种不同的模拟信号处理任务。在售价方面，虽然今日的标准型或是通用型（在售价方面，虽然今日的标准型或是通用型（general purpose）运算放大器因为需求量及产量皆大的缘故而跌至一元钱左右，但运算放大器因为需求量及产量皆大的缘故而跌至一元钱左右，但是特殊用途的运放售价仍然有可能是通用型的一百倍以上。是特殊用途的运放售价仍然有可能是通用型的一百倍以上。 ReturnNextPreviousContentsEndn运算放大器（简称运算放大器（简称OPOP、OPAOPA、OPAMPOPAMP）是一种）是一种u直流耦合直流耦合u差模（差动模式）输入差模（差动模式）输入（Different

11、ial-inDifferential-in）u通常为通常为单端输出单端输出（ single-ended outputsingle-ended output）的）的u高增益高增益u电压放大器电压放大器ReturnNextPreviousContentsEndn常用符号常用符号uV V+ + ：同相输入端（：同相输入端（non-inverting inputnon-inverting input） uV V ：反相输入端（：反相输入端（inverting inputinverting input） uV Vout out : : 输出端（输出端（outputoutput） uV VS+ S+ :

12、: 正电源端（亦可能以正电源端（亦可能以V VDDDD、V VCCCC或或V VCC+CC+ 表示）表示） uV VS S : : 负电源端（亦可能以负电源端（亦可能以V VSSSS、V VEEEE或或V VCCCC 表示）表示） n国标符号国标符号 反相输入端反相输入端 u同相输入端同相输入端 u+ 输出端输出端uo oReturnNextPreviousContentsEndn理想运算放大器的工作原理理想运算放大器的工作原理一个理想的运算放大器（一个理想的运算放大器（ideal OP-AMP）应具备下列特性：应具备下列特性： u无限大的输入阻抗（无限大的输入阻抗（Zin=）：理想的运算放：

13、理想的运算放大器输入端不容许任何电流流入，即上图中的大器输入端不容许任何电流流入，即上图中的V+与与V-两端点的电流两端点的电流信号恒为零，亦即输入阻抗无限大。信号恒为零，亦即输入阻抗无限大。 u趋近于零的输出阻抗（趋近于零的输出阻抗（Zout=0）：理想运算放大器的输出端是一个完：理想运算放大器的输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出电压恒为一定值，亦即输出阻抗为零。电压恒为一定值，亦即输出阻抗为零。 u无限大的开环增益（无限大的开环增益（Ad=）：理想运算放大器的一个重要性质就是：理想运算放大器的一

14、个重要性质就是开环的状态下，对输入端的差动信号有无限大的电压增益，这个特开环的状态下，对输入端的差动信号有无限大的电压增益，这个特性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态。性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态。 u无限大的共模抑制比（无限大的共模抑制比（CMRR=）：理想运算放大器只能对：理想运算放大器只能对V+与与V-两端点电压的差值有反应，亦即只放大两端点电压的差值有反应，亦即只放大V+V 的部份。对于两输入的部份。对于两输入信号的相同的部分（即共模信号）将完全忽略不计。信号的相同的部分（即共模信号）将完全忽略不计。 u无限大的带宽无限大的带宽：理想的运算放大器对于

15、任何频率的输入信号都将以：理想的运算放大器对于任何频率的输入信号都将以一样的差动增益放大之，不因为信号频率的改变而改变。一样的差动增益放大之，不因为信号频率的改变而改变。u失调为零失调为零：即输入为零时输出也为零：即输入为零时输出也为零ReturnNextPreviousContentsEndn开环组态开环组态当一个理想运算放大器采用当一个理想运算放大器采用开环的方式工作时，其输出与输开环的方式工作时，其输出与输入电压的关系式如下：入电压的关系式如下：其中，其中，Ad代表运算放大器的开环差动增益（代表运算放大器的开环差动增益（open-loop differential gain）。）。由于运

16、算放大器的开环增益非常高，因此就算输入端的差动由于运算放大器的开环增益非常高，因此就算输入端的差动信号很小，仍然会让输出信号信号很小，仍然会让输出信号“饱和饱和”（saturation），导致非线），导致非线性的失真出现。因此运算放大器很少以开环组态出现在电路系统性的失真出现。因此运算放大器很少以开环组态出现在电路系统中，少数的例外是用运算放大器做中，少数的例外是用运算放大器做比较器比较器（comparator），比较），比较器的输出通常为逻辑电平的器的输出通常为逻辑电平的“0”与与“1”。开环组态的运算放大开环组态的运算放大器可作为比较器使用器可作为比较器使用()outdVA VVRetur

17、nNextPreviousContentsEndn负反馈组态负反馈组态将运算放大器的反向输入端与输出端通过某种方式连接将运算放大器的反向输入端与输出端通过某种方式连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入信号进将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入信号进入放大器的端点，又可分为反相（入放大器的端点，又可分为反相（inverting）与同相（）与同相（non-inverting）两种。）两种。必须注意的是，所有闭环放大器都是运算放大器的负反必须注意的是，所有闭环放大器都是运算放

18、大器的负反馈组态。馈组态。ReturnNextPreviousContentsEndn负反馈组态负反馈组态运算放大器的开环增益非常大，闭环时，由于深度负反运算放大器的开环增益非常大，闭环时，由于深度负反馈的作用，会使得运算放大器的馈的作用，会使得运算放大器的净输入量净输入量趋近于趋近于0。分析闭环的理想运算放大器时，分析闭环的理想运算放大器时，有两个重要法则：有两个重要法则：u虚短：虚短： V+ = Vu虚断：虚断： I+ = 0，I = 0ReturnNextPreviousContentsEndn负反馈组态负反馈组态u反向放大器反向放大器注意对注意对此种电路有：此种电路有：0VV0ii10

19、iiviR 0offviR1foVfiRvAvR1iofvvRR虚地虚地1foiRvvRRPR1vi+-RfvoiifiReturnNextPreviousContentsEndn负反馈组态负反馈组态u同向放大器同向放大器注意对注意对此种电路有：此种电路有：iVVv0ii10iiviRioffvviR11foVfiRvAvR 1iiofvvvRR1(1)foiRvvRR1vi+-RfvoiifiRPReturnNextPreviousContentsEndn负反馈组态负反馈组态u电压跟随器电压跟随器vi+-vo0ifofRR ，oivv故有很好的隔离作用故有很好的隔离作用ReturnNextP

20、reviousContentsEndn负反馈组态负反馈组态u积分器与微分器积分器与微分器积分、微分运算利用电容的积分、微分运算利用电容的VCR特性：特性：Ccvciccdvicdt；1ccvi dtc积分器积分器RPRvivoCiifiiiviR1(0)oicvvdtvRC设设 vc(0) = 0，1doivv tRC ：有有ofdviCdt ReturnNextPreviousContentsEndtCRUtUCRuFi1iF1od1uitOF1iOM0CRUUt 积分饱和积分饱和线性积分时间线性积分时间线性积分时间线性积分时间Uo(sat)uotO+ Uo(sat)ui = Ui 0 ui

21、 = Ui UR，uo=+ Uo (sat)ui UR，uo= Uo (sat)URuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+ uiuoOUR电压传输特性电压传输特性uiuoOURReturnNextPreviousContentsEndURuouiR2+ R1+uiuoURR2+ R1+Ot +Uo(sat) Uo(sat)uouitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t22022-2-8UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR2022-2-8RF UU当当 uo = + Uo(sat)，

22、 则则 当当 uo = Uo(sat)， 则则iuu 门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制R2uoui+ R1+ oF 2 2uRRRu)(o(sat)F 2 2URRRUu)(o(sat)F 2 2 URRRUu ReturnNextPreviousContentsEnduiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U电压传输特性电压传输特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特性滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+ R1+ReturnNextPreviousContentsEnd)(o(sat)F 2 2RF 2

23、FRURRRURRRu 可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴， UU +URRFR2uoui+ R1+ U UReturnNextPreviousContentsEndo(sat)F 2 2 2URRRUUU ReturnNextPreviousContentsEndV2V6201010 U V 2V6201010 UReturnNextPreviousContentsEnd V33. 1V62010105201020V33. 5V62010105201020 UUReturnNextPreviousContentsEndReturnNextPreviousContent

24、sEndn实际运算放大器的局限实际运算放大器的局限理想的运算放大器并不存在于这个世界上，所有的运算放大理想的运算放大器并不存在于这个世界上，所有的运算放大器电路都会遇到下列的问题，影响了它们的应用，也让设计者在器电路都会遇到下列的问题，影响了它们的应用，也让设计者在使用使用运算放大器时必须考量到更多可能会发生的问题。运算放大器时必须考量到更多可能会发生的问题。 u直流的非理想问题直流的非理想问题有限的开环增益有限的开环增益 有限的输入阻抗有限的输入阻抗 不等于零的输出阻抗不等于零的输出阻抗 不等于零的输入失调电压和电流不等于零的输入失调电压和电流 不等于零的共模增益不等于零的共模增益u交流的非

25、理想问题交流的非理想问题有限的带宽有限的带宽ReturnNextPreviousContentsEndn实际运算放大器的局限实际运算放大器的局限u非线性的问题非线性的问题有限的输出摆幅有限的输出摆幅实际运放的输出电压最高时，要比正电源电压低实际运放的输出电压最高时，要比正电源电压低2V2V左右左右实际运放的输出电压最低时，要比负电源电压高实际运放的输出电压最低时，要比负电源电压高2V2V左右左右有限的摆率有限的摆率实际运放的输出电压从一个值变化到另一个值需要一定时实际运放的输出电压从一个值变化到另一个值需要一定时间，最大变化速率称为间，最大变化速率称为压摆率压摆率，简称摆率。，简称摆率。非线性

26、的转移函数非线性的转移函数u功耗的问题功耗的问题输出功率的限制输出功率的限制输出电流的限制输出电流的限制ReturnNextPreviousContentsEndnInput Offset Voltage, VOS 输入失调电压输入失调电压n输入失调电压的定义是：放大器输出为零时，在输入端输入失调电压的定义是：放大器输出为零时，在输入端所必须输入的补偿电压。所必须输入的补偿电压。n输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，称性越好，n输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要

27、的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。ReturnNextPreviousContentsEndnInput Offset Voltage Drift and Aging Effects 输入失调电流输入失调电流n输入失调电流是指输出端为零电平时，两输入端基极电输入失调电流是指输出端为零电平时，两输入端基极电流的差值，用流的差值，用IIO表示。显然，表示。显然，IIO的存在将使输出端零的存在将使输出端零点偏离，且信号源阻抗越高，输入失调电流影响越严重。点偏离，且信号源阻抗越高，输入失调电流影响越严重。 ReturnNextPreviousCont

28、entsEndnInput Bias Current, IB 输入偏置电流输入偏置电流IBn输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在10nA1A之间；采用场效应管做

29、输入级的，输入偏置之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于电流一般低于1nA。ReturnNextPreviousContentsEndnThe input offset current, IOS, 输入失调电流输入失调电流nIOS = IB+ IB.n输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。输入失调电流同样反映了运两输入端偏置电流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流是运放的一个十分重要的指标输入失

30、调电流是运放的一个十分重要的指标ReturnNextPreviousContentsEndnInput Impedancen差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输 入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。一般产品也仅仅给出输入电阻。采用双极型输入电阻。一般产品也仅仅给出输入电阻。采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧；场效兆欧；场效应

31、管做输入级的运放的输入电阻一般大于应管做输入级的运放的输入电阻一般大于109欧。欧。ReturnNextPreviousContentsEndnSlew Rate 转换速率（也称为压摆率）转换速率（也称为压摆率） n运算放大器在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能达运算放大器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称为转换速率到的最大变化率称为转换速率SR,单位为单位为V/sn转换速率越大，说明运算放大器对输入信号的瞬时变化转换速率越大，说明运算放大器对输入信号的瞬时变化响应越好。影响运算放大器转换速率的主要因素是运放响应越好。影响运算放大器转换速率的主要因素是运放的高频特性和相位补偿电容。的高频特性和相位补偿电容。ReturnNextPreviousContentsEndnPower Supplies and DecouplingReturnNextPreviousContentsEndn最大输出电压最大输出电压 UOPP能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。n开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。n共模输入电压