集成运放应用电路设计与调试

集成运放应用电路设计与调试
2009年03月21日 星期六 17:18
运算放大器是模拟电路中的特殊放大器，只要适当选取外部元件，就能构成各种运算电路，如放大、加法、减法、微分和积分等，并因此而得名。自20世纪60年代集成运放问世以来，运放各个系列产品层出不穷，以价格低、性能优得到广泛应用，现已持续不断地渗透到模拟和混合模拟一数字电子学的各个领域。集成运放应用范围十分广泛，本章仅介绍基本放大电路、比较器电路、简单滤波器电路的设计与调试。正弦波、三角波、矩形波等波形产生电路在第四章介绍，其他应用电路，因篇幅所限，不予介绍，请参阅有关参考文献。在介绍运放组成相应电路的同时，也介绍一些典型的专用集成电路如集成测量放大器、单片有源滤波器、单片集成比较器及其应用电路等。
   3．1 集成运放放大电路设计
   3．1．1 集成运放放大电路设计综述
   集成运放组成放大电路根据输入组态的不同，分为反相输入放大器、同相输入放大器和差动输入放大器。由于运放组成放大电路应用在不同的场合，对运放的各个参数的选择有很大的区别。除通用运放外，有多种特殊运放可供选择。在设计时应根据设计任务的不同，合理选用芯片，然后设计外接元器件，使之达到设计要求。我们在分析运放电路，研究输出输入关系时将运放视为理想运放，使运放的选用和外接元器件设计计算变得简单。但在设计和应用时应注意以下五个问题。
   1．集成运放外接电阻选取
   (1)平衡电阻的选取 平衡电阻的选取是为了保证运放“零输入—零输出”，使之两输入端对地等效电阻相等。具体选择方法在设计中加以说明。如在图3．1．1电路中RRP=Rf//R1。
   (2)外接电阻选取 一般集成运放最大输出电流Iom为3～10mA，在组成放大电路时，应使运放处于负反馈组态。反馈电阻跨接在输出端和输入端之间。输出电压一般为伏级，在空载的情况下，应使运放输出电流不超过Iom。以图3．1．1所示反相输入组态的反相比例放大器为例，if应满足下式


所以RF至少要取千欧数量级，若置Rf和R1取值太小，会增加信号源负载。
   外接电阻亦不能取得过大，如选用MΩ级亦不合适。其原因有二：①电阻值是有误差的，阻值越大，绝对误差值越大。如2MΩ的电阻E1：系列电阻误差值为：10％，其阻值(2．2～1．8)MΩ范围均是允许的，即使选E4s系列的电阻(误差为：2％)阻值范围在(2．04～1．96)MΩ之内；且电阻值会随温度和时间的变化而产生时效误差，使阻值不稳定，影响运算精度；②运放的微小失调电流会在外接高阻值电阻上引起较大的误差信号。
   所以运放外接电阻值尽可能选用几千欧至几百千欧之间。
   2．正确选用集成运放的型号
   集成运放种类和型号繁多，依据其性能参数的不同分为通用型和专用型两大类。专用型运放有：①高输入阻抗型；②低漂移型；③高速型；④低功耗型；⑤高压型；⑥大功率型；⑦电压比较器等。在进行电路设计时选用何种类型和型号，应根据系统对电路的要求加以确定。在通用型町满足要求时，应尽量选用通用型，因其价格低、易于购买。专用型运放是某一项性能指标较高的运放，它的其他性能指标不一定高，有时甚至可能比通用型运放还低，选用时应充分注意。此外，选用时除满足主要技术性能参数外，还应考虑性能价格比。性能指标高的运放，价格也会较高。在选用时无特殊要求，应优先选用通用型和多运放型的芯片。
   仪用放大器(测量放大器)因其内部电阻经激光修正、内部电路对称性好、具有极好的动态响应和精度，选用它们可简化外接电路、提高系统可靠性、提高精度。
   3．性能参数的正确使用
   运放的各种性能参数都是在一定的环境条件下测定的，当外部环境或条件发生变化时，性能参数会发生变化。在设汁选用时，应注意性能参数的测试条件，尤其是对环境条件敏感的参数如输入失调电压Uio、输入失调电流Iio、温漂dUio／dT、dlio／dT等。
   根据运放的特性不同，手册中给出的侧重点也有所不同。高速运放的许多参数都与频率有关。不少参数与直流供电电压有关，且有较大变化，如单位增益带宽、开环增益、输入失调电压、输入失调电流等。例如高速JFET运放AD825A，在电源电压为+15V时，单位增益带宽最小值为23MHz，典型值为26MHz；开环增益最小值为72dB，典型值为74dB；输入失调电流典型值为20pA，最大值30pA。而在+5V时，单位增益带宽最小值为18MHz，典型值为21MHz；开环增益最小值为64dB，典型值为66dB；输入失调电流典型值为15pA，最大值25pA。不少运放直流供电电源允许在一定范围内选择，而手册仅给出典型供电电源电压下的参数值，因此在选用运放时，应根据运放实际电源电压对参数留有一定裕量。
   集成运放的诸多参数中，最重要的是增益带宽积G．BW、转换速率和最大共模输入电压Uicm三个参数。下面分别介绍在设计运放电路时对这三个参数运用应注意的问题。
波形的产生、转换电路设计与调试各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。波形产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转化成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，又称为振荡器或波形发生器。通过与波形变换电路相结合，它能产生正弦波、矩形波、三角波和阶梯波等各种波形，能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。
   众所周知，振荡电路即波形产生电路，不需外加输入信号就有稳定输出信号，故又称自激振荡电路。要使电路产生自激振荡必须满足



   4．1．1 LC振荡电路组成
   常用的LC振荡电路可分为互感耦合、电感反馈三端式、电容反馈三端式三大类。
   1．互感耦合振荡器
   互感耦合振荡器有三种形式：调集电路、调基电路和调发电路。这是根据ic振荡回