运放及其应用

运放及其应用

一、集成运放介绍

1、集成运放分类集成运放按功能分：a、通用运放如LM358,LM324b、仪器放大器：INA128c、隔离放大器：AD215,AD203 d、可编程放大器：PGA102,PGA207e、音频功率放大器：AD547T,LM1875T2、集成运放的主要技术指标：

速度、精度、增益和噪声抑制能力、电源四大类a、增益带宽乘积GBW GBW=Avd

•fH

Avd为中频开环差模增益，fH为上限截止频率(-3dB)以TL064为例，上图中fH=10Ηz,Avd增益为100dB，即

倍

故GBW=10×=Ηz=1MΗz，所以该运放的单位增益频率为fT=1MΗz,若此运放在应用中接成闭环增益为20dB，则此时的上限频率：

fH=100kΗz

如：LM324，它的

GBW=1.2MΗz.b、摆率（转换速率）

SR表示运放所允许的输出电压Vo对时间变化率的最大值。对于LM324，其SR=0.5V/µs,当输入信号频率为f=100kΗz时，其最大不失真输出电压

通用运放的SR一般为1V/µs,而高速运放可达250V/µs,如LM324:它的SR=0.5V/µs.如LM324运放接成电压跟随器，当输入电压超过0.8V时，则输出出现失真。c、共模抑制比CMRR此指标表示集成运放对共模信号的抑制能力（共模信号通常是一种干扰信号）。定义为：

d、最大输入和输出电压范围输入电压：（V-）+5to（V+）-5

输出电压：（V-）+4to（V+）-4e、输入失调电压Uio

Uio=Uo/Gain

输入失调电压是加在两输入端之间，使输出为零所需要的电压。输入失调电压与外电路无关，由运放自身性能所决定。f、温漂电压：Uio/℃

单位温度变化所引起的输入失调电压。如：LM324,它的温漂为±1µV/℃。g、输入偏置电流Ib是两个输入电流之和的一半。

Ib=(Ib++Ib-)/2ΔUi=Ib+·R1-Ib-·R2,因为Ib+跟Ib-很接近，故ΔUi=（R1-R2)Ib+，故当R1≠R2时，由于输入偏置电流的存在,而产生较大的误差电压。如：LM324运放,Ib=20nA,若取R1=10KΩR2=9KΩ则：若放大器的闭环增益为100，则由偏置电流所引起的输出端误差：ΔUo=10µV×100=1mVh、静态电流

IQ=2.5mA（OPA324）,IQ=0.024mA(OPA277) IQ=0.8mA(LM324)i、电源电压：例：OPA324：±5V~±18VLM358:+3V~32常用运放一览表二、消除放大电路零位误差的几种方法1、选用具有零位调整的运放。2、在放大器输入端加一偏置电路。3、单电源供电的放大电路，主要加一完全对称的放大电路，并且把其中一路接地。运放选用同一芯片内的运放，以便消除温飘的影响。

三、仪器放大器仪器放大器又称数据放大器：是一种高性能放大器，它一般是有高增益、高共模抑制比、高精度、高速等特点。仪器放大器常用在输入级作信号处理。

1.普通运放构成的仪器放大器A1和A2产生的输出电压

如输出级完全对称，则要求：R4//R6=R7//R5

故改变R1，即改变放大器增益Ad

U0=如令R2=R3,R4=R5=R6=R7，则

Ad=

设计要点:a、A1和A2级可设计成高增益，而不致引起较大的直流失调。b、输出级A3尽量用小电阻，以便减少直流失调（Ib引起的）c、

R4~R7阻值要尽可能相等d、A1和A2要选同一芯片上双运放，这样可利用电路的对称性减少温漂引起的影响。2.集成仪器放大器

典型仪器放大器：INA128Vio=50uV,CMRR=120dB,Ib=5nA,Iq=700uA,Vcc:±3-18VG=四、可编程增益放大器1、用数控电位器构成可编程增益放大器由于U0=故改变RW可改变放大器的增益

数控电位器X9312技术参数:Vcc=5V,Ic=1mAR=50kΩ电位器可调级数:100级,阻值存贮按键式3线控制/CS/INCU//D阻值LPulseH升LPulseL降H不变2.集成可编程增益放大器介绍（PGA204）

A1A0=00,G=1A1A0=01,G=10A1A0=10,G=100A1A0=11,G=1000五、隔离放大器在医用仪器等产品中需要对被测信号进行电气隔离，电气隔离有两种：

a、

用光耦隔离,用于低频

b.用变压器磁隔离

,用于高频1、用线性光耦隔离

TiL300技术指标：

BW:200KHzVF=1.25VIFmax=50mA

隔离电压3500V线性度：3‰K1=

=

这里K3=1，由手册给定。而IF=1nA~20mA。经实测全量程内（0~2.5V）线性度在0.2%内。

设:2、用专用隔离放大器（AD203S）

Vcc=±15v,IQ=20mA ,BW=10KHz,线性度：±0.025%。它内部也由一片光耦隔离。五、电压/电流转换器(U/I)

在大多数远距离信号传输的场合，往往采用电流环传输，故需要U/I转换。理想U/I转换器的要求是：输出电流大小跟负载无关，当然负载有一定的范围。具体内容见书本P206.六、有源滤波器

用运放和少量的R,C元件配合，可构成各种有源滤波器，如低通，高通，带通，带阻等。a、带通滤波器设计要求：中频fo=1000Hz,中心增益H=10,品质因数Q=5,带宽f=fo/Q=200Hz输出电压Uomax=±1V。现用二阶电路实现：一般为简化设计取C=C1=C2,现根据设计要求可取C=0.01µFC.

用集成滤波器设计B-B公司生产的UAF42通用有源滤波器，通过外加少量R,C元件及不同接线，可实现带阻，带通，高通，低通滤波器。如要实现低通滤波器，只要在7-14，8-13外接2只电阻，外接元件选折和连线方式参见B-B公司UAF42设计手册八、精密度整流电路

一般二极管硅管压降为0.7V,锗管为0.3V,肖特基二极管压降为0.2V.并且以二极管转移特性可知，它是非线性的。因此在实际的交直转换电路中，若直接用二极管整流将造成严重的非线性。为此用运放构成有源整流电路，实现精密线性整流。所整流的信号大小为：0.7V/Av;若取Av=1000，则能对0.7mV的信号进行线性整流是完全可能的。1、反向精密半波整流器当Ui为正半周时，ΔU<0,Uout<0,故D1截止，D2导通.Uo=当Ui为负半周时，D1导通，D2截止。

故：Uo=0;

当D1和D2红线接法为反相负极性选择。

2、同相精密半波整流器当Ui>0时，为正半周，D1截止，D2导通。Uo=当Ui<0时，为负半周，D1导通，D2截止。Uo=0

此时无反馈，变成比较器，故U+≠U-

如构成反馈，则U+=U-.信号本身和它的反相半波整流信号以1比2的比例组合在一起，故：V0=--（R5/R4）VI--（R5R3）VHW由于VI>0时,VHW=--(R2/R1)VIVI<0时,VHW=0所以:V0=APVIVI>0VV0=--ANVIVI<0V

式中AN=R5/R4AP=R2R5/R1R3—AN

令:AN=AP=A

故:V0=AVIVI>0V0=--AVIVI<03、全桥整流电路八、A/D转换器A/D转换器按转换方式分：

a、双积分型：ICL7106/7107/7135，速度慢，位数多。

b、逐次比较型：ADC0809,ADC0816,速度快，位数少。

c、开关电容式：TLC1549,速度快，价格低。按输出接口方式分：串行输出，口线少，速度略慢并行输出，口线多，速度略快1、

A/D转换器主要技术指标：1）分辨率：输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。往往用数据输出位数表示。分辨率与A/D转换器输入电压量程和输出位数有关。如：输入量程0~5V，位数10位，则分辨率为5V/1024=5mV。2)精度指标：

a、线性误差b、零误差c、满量程误差d、滞后误差3）转换时间

A/D启动转换到转换完成所需要的时间（指转换一次）2、典型A/D转换器介绍TLC1549是10位分辨率，串行口输出的A/D转换器。其性能指标如下：a、

分辨率：10位b、

线性误差：±1LSBc、

转换时间：21µs+10I/Oclock周期TLC1549内部结构如下：

TLC1549与单片机连接图：

/CSI/ODataout12310D9D8D7D0TLC1549信号时序图:2-4低频模拟系统设计举例

一、数控直流稳压电源设计1、

设计任务设计一个输出电压可调的数控电压源，并由数码管显示其输出值。具体要求如下：(1)、输出电压2~20V，调节单位0.1V(2)、纹波电压<10mV(3)、输出电流:1A(4)、输出电压由数码管显示，并由“+”，“-”二键分别控制输出电压步进增减(5)、电源应具有输出短路保护和功率器件的过热保护功能。1、

方案论证及框图（1）、方案一由LM317或W317集成可调输出稳压器、数控电位器、单片机等组成。其结构框图如下图所示：a、数据电位器选择这里IR=50µA

为使负载开路时，也能使输出电压稳定，输出静态电流必须>5mA

为此可得：

由

=当输出U0=2V时，得R2值：

当输出U0=20V时，得RW值故:RW=3.75-0.15=3.6KΩ

由于输出电压要求调节单位为0.1V，所以2~20V调节需180个单位。为此可选具有100级的数控可调电位器（型号为XC9C102,1KΩ)4只串联。b、A/D转换器选择：由于要求输出范围2~20V,并且调节单位为0.1V;8位A/D转换器单位码值分辨率为=0.078V,考虑到A/D转换器误差和线性度误差（±1/2LSB=0.039V）,故：可选9位以上A/D，如选TLC1459(10位串行A/D)作为输出电压取样A/D转换器。c、LED显示器输入设定显示和输出电压显示可选3位LED显示。可选择动态扫描显示，或选74LS164移位寄存器作静态显示，可取每段发光管IF=2.2mA,故八段最大IT=18mA由此

mA

故R2可取5K.

D、滤波电容选择：

(2)方案二前级仍采用变压器将压线性整流，后级采用PWM控制的BUCK(降压变换电路)

1）、控制原理：由AC220V降压整流至直流40V，然后由Buck变换器完成降压功能

从上式不难看出，MOS管导通时间越长，则D越大，输出电压就越高,式2）、单片机选择为了完成PWM调节功能，可选用Holtek46R47

主要功能：a、4通道，9位A/Db、最高工作频率8MHzc、4kbOPT,80byteRAMd、8位PWM发生器

e、一个8位定时器，3个中断源由于片上拥有9位A/D和8位PWM发生，故能轻松完成Buck电路输出端电压采样和180级以上PWM控制。另外FreescaleMC68HC908QT2也拥有A/D、PWM

同样可轻松完成控制功能。51系列不行。3）、PWM发生器工作频率

PWM发生器工作频率由外部晶振和内部程序设定共同决定，可选。4）、驱动电路单片机不能直接驱动MOS管，故需要一驱动集成块完成驱动任务，为此可选IR2110。5）、Buck主电路MOS管可选100V,5A型号为IRF510100V,7A型号为IRLI520二极管D可选HER2012A/100V故可取=0.2mH

=139uF故取Cout=220uF/50V，电解电容器2-3直流电源设计

电器和电子产品中常需直流电源供电。直流电源有两种：a、线性直流电源b、非线性直流电源(开关电源)一、线性直流电源

整流电路（隔离式整流）

(a)

半波整流电路特点：闻博大，所需E较大Uout=(E足够大)（b）桥式整流电路特点：纹波小，E小，体积小

(E足够大)，如需

，则

特点：纹波小，E小，但变压器需两个绕组，变压器成本增加。

1、

常用稳压方法1)稳压二极管稳压参数：a、稳压电压b、额定功率c、稳压电流范围取稳压管最大工作电流的中间值。常用的稳压管有：Onsemi公司（安森美），ST公司等的IN5000系列如：IN53333.3V5W,IN53385.1V5WIN5919B5.6V3W,IN592510V3W2）三端稳压器a、

普通三端稳压器：78系列，最大输入电压35v，输出电流1A,输出电压误差5%

常用型号:7805，7806，7808，7809，7812，7815，7818V等，7824（40V）其余输入35V.78L系列，最大输入电压36V,输出电流100mA,

常用型号有：78L05,78L06,78L09,78L12等78系列三端稳压器要求输入与输出间压差在3V以上。否则输出电压不能稳定。

78稳压精度1% 78系列为正极性稳压器与之对应的有负极性稳压器79系列 如：7905(-5V),7909（-9V）,7912(-12V),79L05(-5V,100mA)等

78，79系列内部具有过流过湿等保护功能，可靠性高，价低，最致命的缺点，所需入、出压差大，即功耗大。Ab.

输出电压可调三端稳压器常用三端可调稳压器有：LM317

得调节大小，即可方便的改变输出电压。最大输出电流1.5A，最大输出电压32V,最小输出1.25V，电压调节范围：1.25V~32V/1.5A。c、压差稳压器

78系列，79系列稳压器价格低，但缺点入出间所需压差大，从而引起功率耗大，电源效率低，尤其对电池供电产品非常不利。常用低压差稳压器有：

Ti公司7