运算放大器基本电路的测试-2概要

1第2章运算放大器基本电路的测试.........................................................................1目标.........................................................................................................................1引言.........................................................................................................................12.1运算放大器芯片............................................................................................22.2同相放大器电路............................................................................................42.3电压跟随器电路............................................................................................82.4反相放大器电路..........................................................................................102.5放大器电路的输入/输出电阻匹配.............................................................122.6小结..............................................................................................................131第2章运算放大器基本电路的测试目标通过本章的学习，应掌握以下知识●运算放大器芯片的分类●运算放大器电路的双电源供电方式或者单电源供电方式●反馈电阻RF和增益电阻RG的取值对电路工作的影响●运算放大器电路的电压增益对电路工作的影响●运算放大器芯片的输入失调电压和偏置电流●运算放大器芯片的最大输出信号的摆动范围●运算放大器芯片的增益带宽积和单位增益带宽●运算放大器芯片的压摆率●输入和输出电阻的匹配引言运算放大器相关知识的学习应该由相应的电路实验来证实，因为实际工作过程中不可避免地会出现一些问题，分析出现这些问题的原因、找出解决的办法将迫使我们全面、深入地思考，这样就能够更加深入地理解工作原理。将理论和实践相结合是一种非常好的学习方法，这种方法需要在具体的过程中，通过体验、探索才能逐渐掌握。推荐准备一块面包板，利用它来组装将要研究的电路，并完成电路的调试。详细地记录调试过程中的测量条件、测量数据以及出现的各种问题，尝试利用电路理论来解释这些数据，并探讨改善电路技术指标的各种措施。测试数据的分析是很重要的，电路的一些技术指标之间经常会存在冲突，如何平衡这些冲突，调试电路达到一个什么样的技术指标就可以收手，这些就是工作经验。如果能够在工作中掌握一种学习的方法，这样将能使我们更加适应将来要面临的各种工作。实际使用的运算放大器芯片与理想的运算放大器之间肯定存在一些差异，但是使用理想运算放大器的等效电路能够简化电路的分析过程。尽管理想模型是一种概念化，但决不是脱离实际工作的。当电路的测量数据与理论计算数值存在差异的时候，运算放大器芯片的数据手册能够帮助我们解释出现这些差异的原因。仔细阅读运算放大器芯片的数据手册是很重要的，通过芯片技术参数能够预估电路的性能指标，这将为选择合适的芯片提供依据。本章设想读者接触过运算放大器芯片，并组装过实验电路，因此给出了稍深入一点的要求。每个电路完成一个方面的探讨，不过所获得的结论也适应其它的电路。22.1运算放大器芯片2.1.1运算放大器芯片的包装采用集成电路技术制造的运算放大器模块能够被做在只有针尖那么大小的半导体材料上，这样就能够在一块芯片中包装多个运算放大器模块。当前常见的包装类型为1个芯片中包含1个、2个或者4个运算放大器模块。对于大多数型号的器件，这3种运算放大器包装类型中的运算放大器模块与芯片管脚的连接图如图2.1所示。12345678123456785678910123411121314OffsetTrim/NCOffsetTrim/NC-In+In-Vcc+VccNCOutOutAOutB-InA+InA+InB-InB+Vcc-Vcc+Vcc-VccOutAOutBOutCOutD-InA+InA+InB-InB+InC+InD-InD-InC图2.1运算放大器芯片的管脚图应用电路中经常需要采用多个运算放大器模块联合起来实现要求的功能，例如使用多级放大器实现较大的放大倍数，这时采用内部包含多个运算放大器模块的芯片能够有效地降低电路板的面积。另外包含多个运算放大器模块的芯片还具有一个特点，这就是这些模块的特性非常接近。只包含1个运算放大器模块的芯片也具有自己的优点。例如一些芯片具有输入失调电压调整管脚，如图中的管脚1和8（OffsetTrim）。理想的运算放大器芯片在输入为0的时候，输出应该为0，但是理想的芯片是不存在的。芯片制造过程中的任何不理想都会导致电路误差，这些误差的一种表现就是当电路的输入电压为0，但是电路的输出电压并不为0。调整输入失调电压调整管脚的电位能够使得当运算放大器模块输入电压为0时，它的输出电压也为0。包含多个运算放大器模块的芯片没有输入失调电压调整管脚，为获得同样的功能，这时需要添加额外的电路。芯片中包含多个运算放大器模块的各个模块共用同样的电源，这有时会引起它们之间的相互干扰。对于包含多个运算放大器模块的芯片中没有使用的模块，推荐将这些没有使用模块的输入管脚接地，这样可以减少外部干扰的进入。像其它集成电路芯片一样，运算放大器芯片的包装形式也具有多种，常见的包装形式为双列直插封装（DualIn-linePackage，DIP）类型和小外形集成电路（Smalloutlineintegratedcircuit，SOIC）封装类型。双列直插封装（DIP）类型已经使用了很长时间，虽然它的体积大，但是芯片引脚能够直接插入面包板中，对样机开发和实验教学非常方便。双列直插封装类型存在的缺点之一是引脚产生的杂散干扰大，当前一些高性能芯片只有小外形集成电路（SOIC）封装类型，不过使用这些芯片需要专门制作电路板。32.1.2工作电压的选择按照运算放大器工作所使用的电源，芯片可以分为双电源类型和单电源类型。双电源类型运算放大器芯片使用方便，推荐尽量使用这种类型的器件。对于一些只有单一供电电源的场合，例如一些便携式设备，这时就需要使用单电源类型的运算放大器芯片。本章涉及的所有电路都使用双电源类型的运算放大器芯片。后面专门用一章来介绍单电源类型运算放大器芯片的使用。为了降低系统的成本和体积，应用系统通常只提供很少几种输出电压数值的电源，例如±12V，或者±5V。运算放大器芯片供电电压的范围也是有限制的，因此使用的器件需要根据所处理信号的电压幅度和电源电压来选择。数据手册通常会给出的运算放大器芯片工作电压的选择范围，例如±5V～±15V。这里的工作电压上限，±15V，为芯片工作电压的最大额定值。在实际工作中，为保证电路工作的可靠性一般都采用低于这个额定值的电源电压，例如这时可以采用输出电压为±12V的电源。如果采用输出电压为±12V的电源，运算放大器的动态范围不能满足所处理信号的幅度要求，这时就需要选择具有更大额定值的运算放大器芯片来适应更高的电源电压。在运算放大器与微控制器共同组成的一个模拟——数字混合系统的情况下，如果微控制器芯片的供电电源电压为5V，这时推荐运算放大器芯片采用输出电压为±5V的电源。这样做的好处是既减少了电源输出电压的种类，又避免了运算放大器可能输出的高电压对后级电路所造成的危害。即使没有上面所述的情况，在满足所处理信号幅度要求的前提下，也应该尽量降低电源电压，这点尤其对于高频电路中使用的运算放大器芯片更为重要。由于在高频电路中使用运算放大器芯片的工作电流较大，采用大的电源电压将导致芯片功耗加大，使得芯片温度上升。2.1.3运算放大器芯片的其它分类方法按照运算放大器芯片的用途，芯片可以被划分为通用型、高精度型、低噪声型、高速型、低电压型以及高输出功率型等类型。通用型运算放大器芯片的最大特点是价格不贵，它的各项技术指标都不特别突出。虽然通用型运算放大器芯片的性能不优，但也不太差。基于上述特点，尤其是价格优势，通用型运算放大器芯片获得最为广泛的使用。同一型号、同样封装类型运算放大器芯片还可以由它的使用温度来划分，通常分为3类，商业级、工业级和军用级。商业级芯片，即一般用途，的温度范围：0～70ºC；工业级芯片的温度范围：-25～85ºC；军用级芯片的温度范围：-55～125ºC。运算放大器芯片上标注的型号中包含了芯片的使用温度范围，通常在芯片型号数字后面以后缀的形式跟着。注意不同公司的产品型号中标注意义存在差异。通常在电子市场上购买到的芯片大多数为商业级芯片，这对于初学者已经足够了。商业级以上等级芯片的价格要贵很多，经常还需要一个较长时间的交货期。42.2同相放大器电路本节用来进行分析和测试的同相放大器电路如图2.2所示，运算放大器芯片采用NE5532。这是一种通用型运算放大器芯片，它的内部包含2个独立的运算放大器模块。运算放大器模块与芯片管脚的连接关系如图2.1所示。这里只需要使用其中的一个。VCC-VCCC10.1uFC30.1uFC210uFC410uFRFRGRLRS50ΩvS图2.2同相放大器电路图图2.2所示的同相放大器电路采用正、负两个电源供电。供电电路添加了电源滤波电容，每个电源采用一组，VCC的C1和C2；-VCC的C3和C4。添加滤波电容可以降低信号失真，也可以使得放大器的幅度——频率特性更加平坦，还能够抑制电路的自激。滤波电容应该尽量靠近运算放大器芯片的电源输入管脚处安装。2.2.1电路电阻阻值的选择同相放大器电路的闭环电压增益为1FVGRAR（2.1）式（2.1）显示，运算放大器电路的闭环电压增益仅由反馈回路电阻的比值RF/RG决定。例如希望设计一个电压增益为11的放大器，这时反馈电阻RF和增益电阻RG的比值满足RF/RG=AV–1=11–1=10即可。不过式（2.1）只能给出所需要确定的反馈电阻RF与增益电阻RG的比值，由此还不能确定出每个电阻的具体数值。反馈电阻RF和增益电阻RG的取值会对电路性能产生多方面的影响，例如反馈电阻RF太大将可能影响放大器的频带宽度，反馈电阻RF和增益电阻RG的取值越大，放大器的噪声性能指标越差，但是它们的阻值太小也会导致电路中电流数值过大，使得运算放大器芯片难于驱动。从运算放大器芯片的输出管脚看出去的电路等效负载电阻为'()LFGLRRRR（2.2）如果不希望反馈电路电流对输出电压的影响太大，反馈电阻RF和增益电阻RG的取值就不能太小。当然负载电阻RL的取值也是受到芯片输出电流的限制。反馈电阻RF和增益电阻RG取值过小将会引起运算放大器电路的输出电压波形产生失真。产生波形失真的原因是在电流太大的时候，芯片内部晶体管的工作点将会位于非线性特性很严重的地方，甚至进入输出特性的饱和区域。5满足反馈电阻RF和增益电阻RG的比值为10，即电路电压增益的计算值为11，选择不同电阻数值组合情况下的实验测量数据如表2.1～表2.3所示。这里电路的电源电压选择为±5V，满足NE5532运算放大器芯片工作电压选择范围为±5V～±15V的要求；测试信号源输出