集成運算放大器構(gòu)成交流放大電路的分析和設(shè)計2

1、集成運算放大器構(gòu)成交流放大電路的分析和設(shè)計時間：2009-10-23 11:27:19 來源：電子技術(shù) 作者：韋穗林 廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院0 引言集成運算放大器(簡稱集成運放或運放)在電子電路中應(yīng)用非常廣泛。運放的多數(shù)典型應(yīng)用電路在各類電子技術(shù)教科書中都有詳細和深入的分析，而用集成運放構(gòu)成交流信號放大電路很多教科書卻沒有介紹，有些教科書雖有介紹，但是介紹簡單，分析不全面。用集成運放構(gòu)成的交流放大電路具有線路簡單、免調(diào)試、故障率低等優(yōu)點，如今許多電子產(chǎn)品中的交流放大電路普遍采用運放構(gòu)成，全面分析集成運放構(gòu)成的各種交流放大電路的組成和參數(shù)計算，有助于對該類電路的檢修，以及合理設(shè)計和使用集成運放

2、構(gòu)成的交流放大電路。1 運放交流放大電路的分析1.1 使用雙電源的運放交流放大電路為了使運放在零輸入時零輸出，運放的內(nèi)部電路是按使用雙電源的要求來設(shè)計的。運放交流放大電路采用雙電源供電，可以增大動態(tài)范圍。1.1.1 雙電源同相輸入式交流放大電路圖1是使用雙電源的同相輸入式交流放大電路。兩組電源電壓VCC和VEE相等。C1和C2為輸入和輸出耦合電容；R1使運放同相輸入端形成直流通路，內(nèi)部的差分管得到必要的輸入偏置電流；RF引入直流和交流負反饋，并使集成運放反相輸入端形成直流通路，內(nèi)部的差分管得到必要的輸入偏置電流；由于C隔直流，使直流形成全反饋，交流通過R和C分流，形成交流部分反饋，為電壓串聯(lián)負

3、反饋。引入直流全反饋和交流部分反饋后，可在交流電壓增益較大時，仍能夠使直流電壓增益很小(為1倍)，從而避免輸入失調(diào)電流造成運放的飽和。無信號輸入時，運放輸出端的電壓V00V，交流放大電路的輸出電壓U0=0V；交流信號輸入時，運放輸出端的電壓V0在-VEE+VCC之間變化，通過C2輸出放大的交流信號，輸出電壓uo的幅值近似為VCC(VCC=VEE)。引入深度電壓串聯(lián)負反饋后，放大電路的電壓增益為放大電路輸入電阻Ri=R1if。if是運放引入串聯(lián)負反饋后的閉環(huán)輸入電阻。if很大，所以Ri=R1ifR1；放大電路的輸出電阻R0=of0，of是運放引入電壓負反饋后的閉環(huán)輸出電阻，rof很小。1.1.2

4、 雙電源反相輸入式交流放大電路圖2是使用雙電源的反相輸入式交流放大電路。兩組電源電壓VCC和VEE相等。RF引入直流和交流負反饋，C1隔直流，使直流形成全反饋，交流通過R和C1分流，形成交流部分反饋，為電壓并聯(lián)負反饋。為了減小運放輸入偏置電流造成的零點漂移，可以選擇R1=RF。引入深度電壓并聯(lián)負反饋后，放大電路的電壓增益為因為運放反相輸入端"虛地"，所以放大電路的輸入電阻RiR；放大電路的輸出電R0=r0f0。1.2 使用單電源的運放交流放大電路在采用電容耦合的交流放大電路中，靜態(tài)時，當(dāng)集成運放輸出端的直流電壓不為零時，由于輸出耦合電容的隔直流作用，放大電路輸出的電壓仍為零

5、。所以不需要集成運放滿足零輸入時零輸出的要求。因此，集成運放可以采用單電源供電，其-VEE端接"地"(即直流電源負極)，集成運放的+Vcc端接直流電源正極，這時，運放輸出端的電壓V0只能在0+Vcc之間變化。在單電源供電的運放交流放大電路中，為了不使放大后的交流信號產(chǎn)生失真，靜態(tài)時，一般要將運放輸出端的電壓V0設(shè)置在0至+Vcc值的中間，即V0=+Vcc2。這樣能夠得到較大的動態(tài)范圍；動態(tài)時，V0在+Vcc2值的基礎(chǔ)上，上增至接近+Vcc值，下降至接近0V，輸出電壓uo的幅值近似為Vcc2。 圖3請見原稿1.2.1 單電源同相輸入式交流放大電路圖3是使用單電源的同相輸入式交

6、流放大電路。電源Vcc通過R1和R2分壓，使運放同相輸入端電位由于C隔直流，使RF引入直流全負反饋。所以，靜態(tài)時運放輸出端的電壓V0=V-V+=+Vcc2；C通交流，使RF引入交流部分負反饋，是電壓串聯(lián)負反饋。放大電路的電壓增益為放大電路的輸入電阻Ri=R1R2rifR1R2，放大電路的輸出電阻R0=r0f0。1.2.2 單電源反相輸入式交流放大電路圖4是使用單電源的反相輸入式交流放大電路。電源V cc通過R1和R 2分壓，使運放同相輸入端電位為了避免電源的紋波電壓對V+電位的干擾，可以在R2兩端并聯(lián)濾波電容C3，消除諧振；由于C1隔直流，使RF引入直流全負反饋。所以，靜態(tài)時，運放輸出端的電壓

7、V0=V-V+=+Vcc2；C1通交流，使RF引入交流部分負反饋，是電壓并聯(lián)負反饋。放大電路的電壓增益為放大電路的輸入電阻RiR，放大電路的輸出電阻R0=r0f0。1.2 運放交流放大電路的設(shè)計在設(shè)計單級運放交流放大電路時，(1)選擇能夠滿足使用要求的集成運算放大器。在采用電容耦合的交流放大電路中，由于電容隔直流，交流放大電路輸出的溫度漂移電壓很小。因此，對集成運放漂移性能的要求可以降低，主要從轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬、噪聲等方面來考慮選用集成運放。對脈沖信號、寬頻帶交流信號和視頻信號等，應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率較高、增益帶寬至少是最高工作頻率10倍的集成運放。對音質(zhì)要求比較高的音頻交流放大電路中常采用高速低

8、噪聲的集成運放，如雙運放的4558、NE5532等。 (2)確定采用雙電源供電還是單電源供電。在使用條件許可的情況下，運放交流放大電路盡量采用雙電源供電方式，以增大線性動態(tài)范圍。當(dāng)集成運放雙電源使用時，正、負電源電壓一般要對稱。且電源電壓不要超過使用極限，電源濾波要好。為了消除電源內(nèi)阻引起的低頻自激，常常在正、負電源接線與地之間分別加0.010.1 F的電容退耦。使用單電源供電時，運放同相輸入端電位要小于該運放的最大共模輸入電壓。(3)確定輸入信號是同相輸入還是反相輸入。若要求放大電路的輸入電阻比較大，應(yīng)采用同相輸入式交流放大電路。因為反相輸入式交流放大電路輸入電阻的提高會影響電壓增益。由圖2

9、或圖4相關(guān)計算式可知，增大反相輸入式交流放大電路輸入電阻時，該電路電壓增益將減小，且電壓增益也會受信號源內(nèi)阻的影響。所以在設(shè)計反相輸入式交流放大電路時，有時輸入電阻和電壓增益的選擇難以兼顧。而采用圖1或圖3同相輸入式交流放大電路時，圖1中的R1偏置電阻值適當(dāng)增大，或者圖3中的R1和R2分壓電阻值適當(dāng)增大，就能夠提高放大電路的輸入電阻，而對電壓增益無影響。另外，為了有效地提高圖3放大電路的輸入電阻，可以對電路做一些改進，改進電路如圖5所示。該放大電路輸入電阻RiR3，當(dāng)R3值 圖5見原稿選擇大時，放大電路輸入電阻Ri值就大。所以明顯地提高了放大電路的輸入電阻。(4)確定交流放大電路電壓增益。單級

10、運放交流放大電路的電壓增益Au通常不要超過100倍(40dB)。過高的電壓增益不但會使放大電路的通帶下降，也容易感應(yīng)高頻噪聲或產(chǎn)生自激振蕩。如果要得到一個放大倍數(shù)比較大的放大器，可用兩級等增益的運放電路或者多級等增益的運放電路來實現(xiàn)。(5)確定交流放大電路中的電阻值。一般應(yīng)用中阻值在1100k之間比較合適。高速的應(yīng)用中阻值在1001k 之間，但會增大電源的消耗。便攜設(shè)計中阻值在110M 之間，但會增大系統(tǒng)噪聲。先設(shè)定圖中運放反向輸入端R電阻值，根據(jù)相關(guān)電路的電壓增益計算式，再估算出反饋電阻RF的值。最好采用金屬膜電阻，以減小內(nèi)噪聲。(6)確定放大電路中的電容值。信號耦合電容的大小決定放大電路的低頻特性。根據(jù)交流放大電路信號頻率的高低選擇耦合電容值。若放大的是低頻交流信號，如音頻信號，耦合電容值可選擇122 F之間；若放大的是高頻交流信號，耦合電容值可選擇1000pF0.1 F之間。同相輸入式交流放大電路引入直流全反饋的隔直流電容值由C=120fR式估算。式中f是輸入信號的最低頻率。音頻信號