353-集成運(yùn)算放大器應(yīng)用

1、集成運(yùn)算放大器應(yīng)用集成運(yùn)算放大器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?1.1.熟悉運(yùn)算放大器集成芯片的引腳、熟悉運(yùn)算放大器集成芯片的引腳、功能功能 2.2.掌握正負(fù)對(duì)稱(chēng)電源的連接方法掌握正負(fù)對(duì)稱(chēng)電源的連接方法 3.3.鞏固由運(yùn)放組成的線性基本運(yùn)算鞏固由運(yùn)放組成的線性基本運(yùn)算電路的基本知識(shí)電路的基本知識(shí) 4.4.比較比較LM358LM358和和LF353LF353的性能。的性能。 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 集成運(yùn)算放大器是一個(gè)具有高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗的直接耦合放大器。 放大器外加負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，可構(gòu)成各種不同的運(yùn)算電路。 運(yùn)算電路就是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、乘法、除法、積分、微分等運(yùn)算。虛短、虛斷的概念虛

2、短、虛斷的概念盡管集成運(yùn)放的應(yīng)用電路多種多樣，但就其工作區(qū)域盡管集成運(yùn)放的應(yīng)用電路多種多樣，但就其工作區(qū)域卻只有兩個(gè)：卻只有兩個(gè)：線性區(qū)線性區(qū)和和非線性區(qū)非線性區(qū)。理想運(yùn)放的性能指標(biāo)：理想運(yùn)放的性能指標(biāo)： 放大倍數(shù)；差摸輸入電阻；輸出電阻0理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：)(NPodouuAu 虛短虛短 虛斷虛斷0PNPNuuii1、反相比例運(yùn)算電路引入了電壓并聯(lián)負(fù)反饋，故 I+=I-=0 “虛斷” U+=U-=0 “虛地” I1=If f0i1RU =-UR(1) 若Rf太大、R1亦大，這樣容易引起較大的失調(diào)溫漂；Rf太小，則R1亦小，輸入電阻Ri也?。ㄒ蛟撾娐返腞i

3、= R1），不能滿足高輸入阻抗的要求。一般取Rf為幾十千歐幾百千歐。 (2) 為了減小偏置電流的影響，一般取R= R1Rf。 參數(shù)的選擇：2、同相比例運(yùn)算電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。理想情況下 I+=I-=0 “虛斷” U-=U+=Ui “虛短”故0ii1fU -UURRf0i1RU =(1+)UR3、反相比例加法運(yùn)算電路反相求和電路根據(jù)“虛短”、“虛斷”的原則0i1i212f-UUURRRff0i1i212RRU =-(U +U )RR得：電路中R1、R2、Rf、R的選擇同反相比例運(yùn)算電路。 4、差動(dòng)比例運(yùn)算電路當(dāng)R1=R2=R、R3=R4=Rf時(shí)f0i2i1RU =(U -U )R5、積分運(yùn)

4、算電路積分電路可以完成對(duì)輸入電壓的積分運(yùn)算，即其輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。反向積分電路電容器C引入交流并聯(lián)電壓負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。由于積分運(yùn)算是對(duì)瞬時(shí)值而言的，所以各電流、電壓均采用瞬時(shí)值符號(hào) 管腳排列如圖所示： 圖 運(yùn)放LM358/353引腳圖LM358/353集成運(yùn)算放大器LM358/353實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 1、設(shè)計(jì)一反相放大器，要求、設(shè)計(jì)一反相放大器，要求V V0 0=-100V=-100VI I，且，且輸入電阻等于輸入電阻等于1K1K。確定電阻。確定電阻R Rf f、R R1 1、R Rp p的的阻值，搭建電路并驗(yàn)證。阻值，搭建電路并驗(yàn)證。 2 2、設(shè)計(jì)一兩級(jí)放大器，要

5、求、設(shè)計(jì)一兩級(jí)放大器，要求V V0 0=10=1010V10VI I=100V=100VI I，且輸入電阻等于，且輸入電阻等于10K10K。確定電阻確定電阻R Rf f、R R1 1、R Rp p的阻值，搭建電路并驗(yàn)的阻值，搭建電路并驗(yàn)證。證。 3 3、分別測(cè)試兩種電路的頻率響應(yīng)。、分別測(cè)試兩種電路的頻率響應(yīng)。 4 4、采用采用LM358LM358和和LF353LF353兩種芯片兩種芯片。84231參數(shù)選擇：R1=RP=1KRf =100K信號(hào)源信號(hào)源1KHz，5mVRMS毫伏表測(cè)毫伏表測(cè)Uo示波器觀測(cè)波形示波器觀測(cè)波形內(nèi)容一：?jiǎn)渭?jí)反相放大電路內(nèi)容一：?jiǎn)渭?jí)反相放大電路芯片型號(hào)芯片型號(hào)Rf=10

6、0K測(cè)算值測(cè)算值UiUo單單 AufLM3585mVLM3535mV輸入、輸出信號(hào)用毫伏表測(cè)量輸入、輸出信號(hào)用毫伏表測(cè)量集成運(yùn)放的使用 使用運(yùn)放前認(rèn)真辨認(rèn)管腳認(rèn)真辨認(rèn)管腳，以便正確連線。 正負(fù)電源電壓的獲取正負(fù)電源電壓的獲取。 輸入信號(hào)過(guò)大輸入信號(hào)過(guò)大 電源電壓極性接反或過(guò)高電源電壓極性接反或過(guò)高 輸出端直接接輸出端直接接“地地”或接電源或接電源運(yùn)放損壞運(yùn)放損壞!正負(fù)電源（CH1/CH2串聯(lián)模式）串聯(lián)模式）-輸出額定值輸出額定值:030/03A:CH1COM 030/03A:CH2COMCOM+上限截止頻率上限截止頻率f fH H的測(cè)量：的測(cè)量： 輸入f=1KHz，Ui=5mV的正弦信號(hào)，且輸

7、出波形不失真時(shí)，用交流毫伏表測(cè)輸出電壓U0的值為Uom。此后保持輸入信號(hào)Ui=5mV不變，將信號(hào)頻率由1KHz向更高處調(diào)節(jié)，這時(shí)輸出電壓U0會(huì)隨Ui頻率的增高而逐漸下降。直到U0下降到0.7Uom。這時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率就是被測(cè)放大器的上限截止頻率fH。芯片型號(hào)芯片型號(hào)Rf=100Kf(Hz) fH (Hz) (單級(jí)單級(jí))LM3581kHzLM3531kHz內(nèi)容二：兩級(jí)放大器內(nèi)容二：兩級(jí)放大器（-10）（-10）=100請(qǐng)按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的要求設(shè)計(jì)出電路，并進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試。分析：分析：比較并分析353芯片和358芯片構(gòu)成的單級(jí)放大器的通頻帶。比較并分析353（或358）芯片構(gòu)成的單級(jí)放大器和兩級(jí)放大

8、器的通頻帶。單位增益帶寬 單位增益帶寬定義為：運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個(gè)恒幅正弦小信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得閉環(huán)電壓增益下降3db（或是相當(dāng)于運(yùn)放輸入信號(hào)的0.707）所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率。單位增益帶寬是一個(gè)很重要的指標(biāo)，對(duì)于正弦小信號(hào)放大時(shí)，單位增益帶寬等于輸入信號(hào)頻率與該頻率下的最大增益的乘積，換句話說(shuō)，就是當(dāng)知道要處理的信號(hào)頻率和信號(hào)需要的增益后，可以計(jì)算出單位增益帶寬，用以選擇合適的運(yùn)放。這用于小信號(hào)處理中運(yùn)放選型。運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率 運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率定義為，運(yùn)放接成閉環(huán)條件下，將一個(gè)大信號(hào)（含階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得運(yùn)放的輸出上升速率。由于在轉(zhuǎn)換期間

9、，運(yùn)放的輸入級(jí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以運(yùn)放的反饋回路不起作用，也就是轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)換速率對(duì)于大信號(hào)處理是一個(gè)很重要的指標(biāo)，其單位為V/us。 通用型運(yùn)算放大器LM358的主要參數(shù)的主要參數(shù)：輸入偏置電流輸入偏置電流45 nA輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流50 nA增益帶寬積：增益帶寬積：1MHz轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率：13V/SLM358的封裝形式有塑封的封裝形式有塑封8引線雙列直引線雙列直插式和貼片式。插式和貼片式。LM353LM353的主要參數(shù)的主要參數(shù) 輸入失調(diào)電壓：輸入失調(diào)電壓：5mV； 偏置電流：偏置電流：50pA 增益帶寬積：增益帶寬積：4MHz 轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率：13V/S 電源：

10、電源： +/-5V +/-18V通用型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器選用時(shí)注意事項(xiàng)1 1當(dāng)運(yùn)算放大器用于直流放大時(shí)必須進(jìn)行調(diào)零。當(dāng)運(yùn)算放大器用于直流放大時(shí)必須進(jìn)行調(diào)零。有調(diào)零端的運(yùn)算放大器應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)推薦的調(diào)零電有調(diào)零端的運(yùn)算放大器應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)推薦的調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)零。路進(jìn)行調(diào)零。2. 2. 為了消除運(yùn)算放大器的高頻自激，應(yīng)參照推為了消除運(yùn)算放大器的高頻自激，應(yīng)參照推薦參數(shù)在規(guī)定的消振引腳之間接入適當(dāng)電容消薦參數(shù)在規(guī)定的消振引腳之間接入適當(dāng)電容消振，同時(shí)應(yīng)避免兩級(jí)以上的運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)，振，同時(shí)應(yīng)避免兩級(jí)以上的運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)，以減小消振困難。為了消除內(nèi)阻引起的寄生振以減小消振困難。為了消除內(nèi)阻引起的寄生振蕩，可在運(yùn)

11、放電源端對(duì)地就近接去藕電容，考蕩，可在運(yùn)放電源端對(duì)地就近接去藕電容，考慮到去耦電解電容的電感效應(yīng)，常常在其兩端慮到去耦電解電容的電感效應(yīng)，常常在其兩端并聯(lián)一個(gè)容量為并聯(lián)一個(gè)容量為0.010.010.10.1的瓷片電容。的瓷片電容。運(yùn)算放大器的參數(shù)表示運(yùn)算放大器性能的參數(shù)為：?jiǎn)?雙電源工作電壓、電源電流、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、輸入電阻、轉(zhuǎn)換速率、差模輸入電阻、失調(diào)電流溫漂、輸入偏置電流、偏置電流溫漂、差模電壓增益、共模電壓增益、單位增益帶寬、電源電壓抑制、差模輸入電壓范圍、共模輸入電壓范圍、輸入噪聲電壓、輸入噪聲電流、失調(diào)電壓溫漂、建立時(shí)間、長(zhǎng)時(shí)間漂移等。不同的運(yùn)算放大器參數(shù)差別很大，使用

12、運(yùn)算放大器前需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)分析處理交流信號(hào)，增益帶寬積(GBP)和轉(zhuǎn)換速率(SR)是主要考慮的指標(biāo)。 處理直流或低頻信號(hào)，主要考慮失調(diào)電壓和失調(diào)電流。圖圖2-12-1 A741A741調(diào)零電路調(diào)零電路圖圖2-2反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路圖圖2-3 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路 圖圖2-4 反相加法運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路 ui1uouC圖圖2-6 積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路ui1 ui2362 2R11RFR2=Ri1/Ri2/RFR12uo圖圖2-5 2-5 差動(dòng)運(yùn)算電路差動(dòng)運(yùn)算電路+ui1+2R1R2C+-3 ui1362R1RFR2ui2R3uo126354RP+15V-15

13、V710k10k10kR2=R1/RFRF362 2R1=10Kuouo RFUi1 362 2R1=10KR210K電位器Uo= -UiUo=2UiUo= -(Ui1+ Ui2)Uo= (Ui2- Ui1)10k =10K =10K 利用二極管的單向?qū)щ娞匦苑乐褂捎陔娫礃O性接反而造利用二極管的單向?qū)щ娞匦苑乐褂捎陔娫礃O性接反而造成的損壞。當(dāng)電源極性錯(cuò)接成上負(fù)下正時(shí)，兩二極管均不成的損壞。當(dāng)電源極性錯(cuò)接成上負(fù)下正時(shí)，兩二極管均不導(dǎo)通，等于電源斷路，從而起到保護(hù)作用。導(dǎo)通，等于電源斷路，從而起到保護(hù)作用。 保護(hù)電路保護(hù)電路1. 電源極性的保護(hù)電源極性的保護(hù)2. 輸入保護(hù)輸入保護(hù) 利用二極管的限幅作用對(duì)輸入信號(hào)幅度加以限制，以免利用二極管的限幅作用對(duì)輸入信號(hào)幅度加以限制，以免輸入信號(hào)超過(guò)額定值損壞集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。無(wú)論是輸入輸入信號(hào)超過(guò)額定值損壞集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。無(wú)論是輸入信號(hào)的正向電壓或負(fù)向電壓超過(guò)二極管導(dǎo)通電壓，則信號(hào)的正向電壓