基于运放的交流放大器设计毕业论文Word文档格式.docx

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由于输入到后级运放的信号幅度较大，因此，后级运放在大信号的条件下工作，这时，影响误差的主要因素是运放的转换速率，运放的转换速率越大，误差越小。

2集成运算放大器

2.1集成运算放大器组成框图

图表示集成运放的内部电路组成原理框图。

图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称性可以提高整个电路的性能，它的两个输入端构成整个电路的方相输入端和同相输入端。

电压放大级的主要作用是

提高电压增益没，它可由一级或多级放大电路组成。

输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高负载能力。

偏置电路是为各级提供合适的工作电流[3]。

图2-1集成运算放大器组成框图

2.2运算放大器的主要参数

运算放大器的主要参数如下[4]

2.2.1输入失调电压Vio

一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。

但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。

在室温（25?

）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压VIO。

实际上指输入电压VI=0时，输出电压VO折合到输入端的电压的负值，即VIO的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。

VIO值愈大，说明电路的对称程度愈差，一般约为?

（1,10）mV。

2.2.2输入偏置电流Iib

BJT集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。

输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值。

当VO=0时，偏置电流为IIB=（IBN+IBP）/2输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级BJT的性能，当它的b值太小时，将引起偏置电流增加。

从使用角度来看，偏置电流愈小，由信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。

一般为10nA,1mA。

2.2.3输入失调电流Iio

在BJT集成电路运放中，输入失调电流IIO是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO=|IBP-IBN|由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。

所以，希望IIO愈小愈好，它反映了输入级有效差分对管的不对称程度，一般约为1nA,0.1μA。

2.2.4温度漂移

放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用两种方式表示:

（1）输入失调电压温漂DVIO/DT:

这是指在规定温度范围内VIO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。

VIO/DT不能用外接调零装置的办法来补偿。

高质量的放大器常选用低漂移的器件来组成，一般约为?

（10,20）mV/?

。

（2）输入失调电流温漂DIIO/DT:

这是指在规定温度范围内IIO的温度系数，也是对放大器电路漂移的量度。

同样不能用外接调零装置来补偿。

高质量的运放每度几个pA。

2.2.5最大差摸输入电压Vidmax

集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。

利用平面工艺制成的NPN管约为?

5V左右，而横向BJT可达?

30V以上。

2.2.6最大共摸输入电压Vidmax

指运放所能承受的最大共模输入电压。

超过Vicmax值，它的共模抑制比将显著下降。

高质量的运放可达?

13V。

2.2.7最大输出电流Iomax

指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。

通常给出输出端短路的电流。

2.2.8开环差摸电压增益Avo

指集成运放工作在线性区，接入规定的负载，无负反馈情况下的直流差模电压增益。

AVO与输出电压VO的大小有关。

通常是在规定的输出电压幅度（如VO=?

10V）测得的值。

AVO又是频率的函数，频率高于某一数值后，AVO的数值开始下降。

2.2.9开环带宽BW（fh）

开环带宽BW又称为-3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率fH。

2.2.10单位增益带宽BWg（fr）

对应于开环电压增益AVO频率响应曲线上其增益下降到AVO=1时的频率，即AVO为0dB时的信号频率fT。

它是集成运放的重要参数。

741型运放的AVO=2′105时，它的fT=AVO?

fH=2×

105×

7=1.4MHz。

2.2.11转换速率Sr

指放大电路在闭环状态下，输入为大信号（如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化率。

即:

转换速率的大小与许多因素有关，其中主要与运放所加的补偿电容，运放本身各级BJT的极间电容、杂散电容以及放大电路提供的充电电流等因素有关。

2.3集成运算放大器的分类

按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类[5]。

2.3.1通用型运算放大器

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。

这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。

例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。

它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2.3.2高阻型运算放大器

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid,（109,1012）W,IIB为几皮安到几十皮安。

实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。

用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。

常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

2.3.3低温漂型运算放大器

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。

低温漂型运算放大器就是为此而设计的。

目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

2.3.4高速型运算放大器

在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。

高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

常见的运放有LM318、mA715等,其SR=50,70V/ms,BWG,20MHz。

2.3.5低功耗型运算放大器

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。

常用

的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为?

2V,?

18V,消耗电流为50,250mA。

目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

2.3.6高压大功率型运算放大器

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。

在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。

若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。

高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。

例如D41集成运放的电源电压可达?

150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。

2.4集成运算放大器应用（非线性、线性应用）

目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。

在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络,可实现不同用途的电路,例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。

集成运算放大器的种类非常多,可适用于不同的场合[6]。

2.4.1集成运算放大器非线性应用

1.基本过零电压比较器

2.比较分析各类电压比较器电路

3.应用比较器将正弦波变换成矩形波

2.4.2集成运算放大器线性应用

运放在线性应用时的两个重要特性:

1.输出电压UO与输入电压之间满足关系式UO,Aud（U+,U,）由于Aud=?

，而UO为有限值，因此，U+,U,?

0。

即U+?

U,，称为“虚短”。

2.由于ri=?

，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即IIB,0，称为“虚断”。

这说明运放对其前级吸取电流极小。

上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。

基本运算电路[7]

（1）反相比例运算电路

（2）反相加法电路

（3）同相比例运算电路

（4）差动放大电路（减法器）

（5）积分运算电路

3交流放大器设计

3.1基于运放的交流放大器设计框图

图3-1交流放大器内部组成原理框图

上图是交流运算放大器设计原理框图，图中隔置电容是消除直流对电路的影响，输入级一般是差分式放大电路，利用它的对称性可提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端或同相输入端。

电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。

输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

偏置电路

是为各级提供合适的工作电流。

此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等[8]。

3.1.1在集成运算放大器知识的基础上设计交流运算放大器

设计的思路是当需要放大低频范围内的交流信号时，可用集成运算放大器组成具有深度负反馈的交流放大器。

由于运放的增益带宽积是一个常数，因此，加大负反馈深度，可以降低电压放大倍数，从而达到扩展频带宽度的目的[9]。

在设计当中根据不同的要求设计出不动的电路，包括同相和反相交流运算放大器，对电源的选择可以选择单电源和正负电源。

3.1.2设计思路

（1）选择电路形式

（2）选择集成运算放大器

先初步选择一种类型的运放，然后根据所选运放的单位增益带宽BW，计算出每级放大

器的带宽[9]。

（3）选择供电方式

在交流放大器中的运放可以采用单电源供电或正负双电源供电方式。

单电源供电与正负双电源供电的区别是:

单电源供电的电位参考点为负电源端（此时负电源端接地）。

而正负双电源供电的参考电位是总电源的中间值（当正负电源的电压值相等时，参考电位为零）。

（4）计算各电阻值

根据交流放大器的输入电阻和对第一级电压放大倍数的要求，先确定出第一级的输入电阻和负反馈支路的电阻，然后再根据第二级电压放大倍数的要求，确定出第二级的输入电阻和负反馈支路的电阻。

按此顺序，逐渐地把每级的电阻值确定下来。

（5）计算耦合电容

当信号源的内阻和运放的输出电阻被忽略时，信号源与输入级之间、级与级之间的耦合电容可按下式计算。

上式中，是耦合电容C所在级的输入电阻。

类似地输出电容可按下式计算。

3.2低频交流放大器设计

设计指标:

选用Lm324，放大倍数10倍，设计出单电源同相、反相交流运算放大器。

3.2.1单电源反相交流运算放大器

（1）电路如图3-2

图3-2单电源反相交流运算放大器

（2）仿真波形如图3-3

图3-3单电源反相交流运算放大器仿真波形3.2.2单电源同相交流运算放大器

（1）电路如图3-4

图3-4单电源同相交流运算放大器

（2）仿真波形如图3-5

图3-5单电源同相交流运算放大器仿真波形

3.2.3选用ua741

设计出双电源同相、反相交流运算放大器、放大倍数10倍。

1.反相交流运算放大器

（1）电路如图3-6

图3-6反相交流运算放大器

（2）仿真波形如图3-7

图3-7反相交流运算放大器仿真波形

2.同相交流运算放大器

（1）电路如图3-8

图3-8同相交流运算放大器

（2）仿真波形如图3-9

图3-9同相交流运算放大器仿真波形

3.3中频交流放大器设计

选用NE5532、设计出反相交流运算、放大器放大倍数10倍

（1）电路如图3-10

图3-10反相交流运算放大器

（2）仿真波形如图3-11

图3-11反相交流运算放大器仿真波形

3.4高频交流放大器设计

选用AD8009、设计出反相交流运算放大器、放大倍数10倍

（1）电路如图3-12

图3-12AD8009反相交流运算放大器

（2）仿真波形如图3-13

图3-13AD8009反相交流运算放大器仿真波形

4实验结果

4.1实验测试框图与调试

4.1.1实验测试框图

4-1实验测试框图

4.1.2调试方法

按图所示连接交流放大器电路，使用实验箱上直流信号源时，除了要开启电源总开关和直流信号源分开关外，还必须开启?

12V直流稳压电源分开关。

在对交流放大器进行调试时，输入信号的幅度类型要和输出信号的幅度类型选取一致，才能得到正确的测量结果。

在做交流放大器幅频特性测试时，当输入信号调到30Hz以下的低频段时，示波器不能自动显示完整的波形;

此时测量菜单无法正确的显示信号参数，必须通过时基控制旋钮改变示波器水平方向的显示比例，使屏幕显示出完整的波形，测量菜单才能正确显示被测信号的参数值[10]。

从放大器的输入端输入对应频率幅度Uim=10mV的交流信号，用示波器在放大器的输出端测出输出电压的幅值Uo1m，根据Uim与Uo1m算出该级电压放大倍数Au1。

然后将输入信号的改变频率，输入信号的幅度保持10mV不变，测出对应的输出电压U′o1m，若U′o1m=0.707Uo1m，说明已达到指标要求，若U′o1m<

0.707Uo1m，说明C1、C2的值取得太小，此时应先加大C1的值，同时观察对应的输出电压U′o1m，然后再改变C2的值，一直调节到U′o1m=0.707Uo1m为止;

若U′o1m>

0.707Uo1m，说明C1、C2的值取得太大，此时应先减小C1的值，同时观察对应的输出电压U′o1m。

4.2实验测试结果

4.2.1LM324的实验结果

（1）LM324同相交流运算放大器测量数据如表4-1

表4-1LM324同相交流运算放大器测量数据

LLM324输入Ui输出Uo放大倍数

频率（Hz）100100Au=9.7倍

幅值（mV）1097

（2）LM324反相交流运算放大器测量数据如表4-2

表4-2LM324反相交流运算放大器测量数据

LM324输入Ui输出Uo放大倍数

频率（kHz）2020Au=10倍

幅值（mV）10105

4.2.2Ua741的实验结果

（1）反相交流运算放大器测量数据如表4-3

表4-3Ua741反相交流运算放大器测量数据

Ua741输入Ui输出Uo放大倍数

频率（kHz）2020Au=70倍

幅值（V）0.17

（2）同相交流运算放大器测量数据如表4-4

表4-4Ua741同相交流运算放大器测量数据

频率（kHz）2020Au=11倍

幅值（mV）10110

4.2.3NE5532的实验结果测量数据如表4-5

表4-5NE5532的实验结果测量数据

NE5532输入Ui输出Uo放大倍数

频率（MEG）22Au=9.5倍

幅值（mV）1095

4.2.4AD8009的实验结果测量数据如表4-6

表4-6AD8009的实验结果测量数据

AD8009输入Ui输出Uo放大倍数

频率（MEG）100100Au=9.8倍

幅值（mV）1098

4.2.5对实验结果进行分析

通过实验对仿真的结果进行对比和分析，由于元器件之间的选择和实验当中的干扰，导致产生不可避免得误差，实验所测得的数据和仿真的数据基本上一致。

实验表明集成运算放大器完全可以用来放大交流小信号。

5.总结

主要建立在运算放大器基础上，应用运算放大器的知识设计交流运算放大器。

分析了单电源供电运算放大器应用中存在的问题,给出同相输入与反相输入交流放大器的设计方法。

在完成电路仿真以后，就开始了测试验证是否满足设计要求。

由于实验所得到的数据与原来仿真的数据相差太大，通过修改所测得的实验结果基本达到指标，对于高频运算放大器由于没有器材只做了仿真（因为高频运算放大器没有器材，所以只做了仿真），实验测得的数据基本符合该试验的要求。