项目2集成运算放大器的测试与应用设计.ppt

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1、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，RF

2、2=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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、：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）

11、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

12、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

13、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 Ci

14、rcuits）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

15、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

16、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

17、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http:/,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

18、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

19、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，

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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=UR

25、EF=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

26、）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

27、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

28、路对于低音是一个反相比例运放，,当电位器RW1A滑动至最左端时，AvL=（RW1A+RL3）/RL1=1+RW1A/RL1=11（20.8dB）；低音频提升最大；当电位器RW1A滑动至最右端时，低音频衰减最大。,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大于fL2的低音频信号时，CL1、CL2的容抗较小，可以认为是短路路。,RL5为平衡电阻。电路中选择10k即可。,此时的电路对于低音是一个反相比例运放，此时的电路增益为AvL=RL3/RL1=1(0dB),设计内容（示例）,图5-19 高音调节电路(一）,为了便于分析，可以将电阻RL1、RL2、RL3、的星形连接转换成

29、三角形连接，转换后的电路如图5-20所示，RLa=RLb=RLc=3RL1,图5-20 高音调节电路（二）,1）低音、高音调节电路的计算,设计内容（示例）,图5-20 高音调节电路（二）,暂取CL5=470pF。,1）低音、高音调节电路的计算,设计内容（示例）,图5-20 高音调节电路（二）,当输入信号频率为远远大于fH2的高音频信号时，CL5的容抗较小，可以认为是短路。此时的电路对于高音是一个反相比例运放，当电位器RW1A滑动至最左端时，AvH=RLb/(RLa/RL4)=11（20.8dB）；低音频提升最大；可得RL4=15k。当电位器RW1A滑动至最右端时，低音频衰减最大。,1）低音、高

30、音调节电路的计算,设计内容（示例）,图5-20 高音调节电路（二）,当输入信号频率为远远小于fH1的高音频信号时。CL5的容抗较大，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，此时的电路增益为AvH=RLb/RLa=1（0dB）,当输入信号频率为介于fH1和fH2之间的低音频信号时，此时的电路增益为20 dB/10倍频。,1）低音、高音调节电路的计算,设计内容（示例）,）混音电路的计算,RL7，RL10，RL8构成反相加法器，通过混音开关实现左右声道信号的叠加。取RL7，RL10为10k，RL8为100k。,LF353为集成运放，RL9为平衡电阻。取10k。,（4）电路的仿真,1）低音、高音调节电路的仿真,（4）电路的仿真,2）混音电路的仿真,本项目结束,