比例放大器设计

实验三 比例放大电路的设计

一．实验目的

1．掌握集成运放线性应用电路的设计方法。

2．掌握电路的安装、调试与电路性能指标的测试方法。

二．预习要求

1．根据给出的指标，设计电路并计算电路的有关参数。

2．画出标有元件值的电路图，制定出实验方案，选择实验仪器设备。

3．写出预习报告

三. 比例放大电路的特点、设计与调试

（一）．反相比例放大电路 1．反相比例放大电路的特点 U 由运算放大器组成的反相比例放大电 U o 路如图1所示。 根据集成运算放大器的基本原理，反 相比例放大电路的闭环特性为：

闭环电压增益：

1R R A f

uf -= （1） 图1 反相比例放大器

输入电阻 1R R if = （2）

输出电阻 01≈+=

uo

o of KA R R （3） 其中： A uo 为运放的开环电压增益，f R R R K +=11 环路带宽 f uo o f R R A BW BW 1?

?= （4） 其中：BW o 为运放的开环带宽。

最佳反馈电阻 K R R R o id f 2?==2

)1(uf o id A R R -? （5） 上式中：R id 为运放的差模输入电阻，R o 为运放的输出电阻。

平衡电阻 f P R R R //1= （6）

从以上公式可以看出，由运算放大器组成的反相输入比例放大电路具有以下特性：

（1）在深度负反馈的情况下工作时，电路的放大倍数仅由外接电阻R 1和 R f 的值决定。

（2）由于同相端接地，故反相端的电位为“虚地”，因此，对前级信号源来说，其负载不是运放本身的输入电阻，而是电路的闭环输入电阻R 1。由于R if = R 1，因此反相比例放大电

路只适用于信号源对负载电阻要求不高的场合（小于500k Ω）

（3）在深度负反馈的情况下，运放的输出电阻很小。

2．反相比例放大电路的设计

反相比例放大电路的设计，就是根据给定的性能指标，计算并确定运算放大器的各项参数以及外电路的元件参数。

例如，要设计一个反相比例放大电路，性能指标和已知条件如下：闭环电压增益A uf ，闭环带宽BW f ，闭环输入电阻R if ，最小输入信号U Imin ，最大输出电压U Omax ，负载电阻R L ，工作温度范围。

设计步骤如下：

（1）选择集成运算放大器

选用集成运算放大器时，应先查阅有关产品手册，了解以下主要参数：运放的开环电 压增益A uo ，运放的开环带宽BW o ，运放的输入失调电压U IO 、输入失调电压温漂U IO /T ，输入失调电流I Io 、输入失调电流温漂I IO /T ，输入偏置电流I IB ，运放的差模输入电阻R id 和输出电阻R o 等。

为了减小比例放大电路的闭环电压增益误差，提高放大电路的工作稳定性，应尽量选 用输入失调参数小，开环电压增益和差模输入电阻大，输出电阻小的集成运放。

为了减小比例放大电路的动态误差，（主要是频率失真与相位失真），集成运算放大器的增益带宽积A u ·BW 和转换速率S R 还应满足以下关系：

A u ·BW >∣A uf ∣·BW f S R > 2πf max U Omax

上式中，f max 是输入信号的最高工作频率。

U Omax 是集成运算放大器的最大输出电压。

（2）计算最佳反馈电阻

按以下公式计算最佳反馈电阻：

K R R R o id f 2?==2

)1(uf o id A R R -? 为了保证放大电路工作时，不超过集成运算放大器所允许的最大输出电流I Omax ，R f 值 的选取还必须满足：m ax m ax //O O L f I U R R >

。 如果算出来的R f 太小，不满足上式时，应另外选择一个最大输出电流I Omax 较大且能满足 式（1）中要求的运算放大器。在放大倍数要求不高的情况下，可以选用比最佳反馈电阻值大的R f 。

（3）计算输入电阻R 1

uf f

A R R =1

由上式计算出来的R 1必须大于或等于设计要求规定的闭环输入电阻R if 。否则应改变R f 的值，或另选差模输入电阻高的集成运算放大器。

（4）计算平衡电阻R P

R P =R 1//R f

（5）计算输入失调温漂电压

T dT dI R T dT dU R R U IO IO f I ?+????

? ??

+=?111 要求ΔU I << U Imin 。一般应使 U Imin > 100ΔU I ，这样才能使温漂引起的误差小于1%。若

ΔU I 不满足要求，应另外选择漂移小的集成运算放大器。

3．反相比例放大电路的调试与性能测试

（1）消除自激振荡

按照所设计的电路和计算的参数，选择元件，安装电路，弄清集成运放的电源端，调 零端、输入与输出端。根据所用运放的型号和A uo 的大小，考虑是否需要相位补偿。若需要相位补偿，应从使用手册中查出相应的补偿电路及其元件参数。

当完成相位补偿后，将放大电路的输入端接地，检查无误后，接通电源。用示波器观察其输出端是否有振荡波形。若有振荡波形，应适当地调整补偿电路的参数，直至完全消除自激振荡为止。在观察输出波形时，应把噪声波形和自激振荡波形区分开来。噪声波形是一个频率不定，幅值不定的波形，自激振荡波形是一个频率和幅度固定的周期波形。

（2）调零

把输入端接地，用直流电压表测量输出电压，检查输出电压U O 是否等于零，若U O 不等于零，应仔细调节运放的调零电位器，使输出电压为零。

（3）在输入端加入U I =0.1V 的直流信号,用直流电压表测量输出电压。将测量值与计算值 进行比较，看是否满足设计要求。

（4）观察输出波形

在输入端加入f=1000Hz ，U im =1V 的交流信号，用示波器观察输出波形，若输出波形出现“平顶形”失真，表明运放已进入饱和区工作，此时应提高电源电压，以消除“平顶形”失真。 R

（二）同相比例放大电路 1．同相比例放大电路的特点 由运算放大器组成的同相输入比例 U o 放大电路如图2所示。 同相放大器的电压放大倍数为： 1

111R R R R R U U A f f I O uf +=+== （7） 同相放大器的输入电阻为： 图2 同相比例放大器

R if =R 1//R f +R id （1+A uo ? F ） （8）

其中：R id 是运放的差模输入电阻，A uo 是集成运放的开环电压增益，F=R 1/(R 1+R f ）为反馈系数。

输出电阻：R o ≈0

放大器同相端的直流平衡电阻为：R P = R f // R 1。 （9）

放大器的闭环带宽为： o uf uo f BW A A BW ?=

（10） 最佳反馈电阻 =f R 2uf

o id A R R ?? （11）

2．同相比例放大电路的设计

要求设计一个同相比例放大电路，性能指标和已知条件如下：闭环电压放大倍数A uf ，闭环带宽BW f ，闭环输入电阻R if ，最小输入信号U Imin ，最大输出电压U Omax ，负载电阻R L ，工作温度范围。

设计步骤：

（1）选择集成运算放大器

在设计同相放大器时，对于所选用的集成运算放大器，除了要满足反相比例放大电路

设计中所提出的各项要求外，集成运放共模输入电压的最大值还必须满足实际共模输入信号的最大值。并且要求集成运放具有很高的共模抑制比。当要求共模误差电压小于ΔU OC 时，集成运放的共模抑制比必须满足：

uf OC

IC CMR A U U K ??> 式中：U IC 是运放输入端的实际共模输入信号。ΔU OC 是运放的共模误差电压。

（2）元件参数的计算

1) 按以下公式计算最佳反馈电阻：

2

uf

o id f A R R R ??= 2）按以下公式计算R 1 11-=

uf f

A R R 为了保证电路工作时，不超过集成运放的最大输出电流I Omax ，R L 、R f 和R 1还必须满足以 下关系：

max

max 1)//(O O f L I U R R R >+ 3） 计算平衡电阻R P

考虑到信号源内阻R S 的影响，R P =（R 1//R f ）– R S

（3）计算输入失调温漂电压

T T I R T

U U IO P IO I ???? ?????+??=? 要求ΔU I <100ΔU I ，这样才能使温漂引起的误差小于1%。如果计算出来的ΔU I 不满足要求，应另外选择漂移小的集成运算放大器。

3.同相比例放大电路的调试与性能测试（具体步骤与反相比例放大电路相同）

四．实验内容

1．反相比例放大器的设计、安装与测试

设计与安装一个反相比例放大器，使之满足A uf = －5（R f 、R 1、R 自选）。

1) 输入U I = +1.5V 的直流信号,用直流电压表测量输出电压U O 。

2) 输入f = 1kHz ，U im = 0.2V 的交流信号，用示波器测量输出电压u o 的幅值U om 、输出电压与输入电压之间的相位差。

2．同相比例放大器的设计、安装与测试

设计与安装一个同相比例放大器，使满足A uf = 6。

1) 输入U I = +1.5V 的直流信号,用直流电压表测量输出电压U O 。

2) 输入f = 1kHz ，U im = 0.2V 的交流信号，用示波器测量输出电压u o 的幅值U om 、输出电压与输入电压之间的相位差。

3。电压跟随器的设计、安装与测试

设计与安装一个电压跟随器，使满足U O = U I 的关系。

1) 输入U I = +1.5V 的直流信号,用直流电压表测量输出电压U O 。

2) 输入f =1kHz ，U im = 0.2V 的交流信号，用示波器测量输出电压u o 的幅值U om 、输出电

压与输入电压之间的相位差。

4．加法器的设计、安装与测试

设计与安装一个加法器电路，使满足u o = －（10 u i1＋2 u i2），R f、R1、R2自选。

1）输入U I1 = +0.5V、U I2 = –1.5V的直流信号,用直流电压表测量输出电压U O。

2）输入f =1kHz，U im1 = U im2 = U im3 = 0.2V的交流信号，用示波器测量输出电压u o的幅值U om。

五．实验报告要求

1．写出电路的设计过程。

2．画出标有元件值的实验电路。

3．写出调试与测试过程

4．整理实验数据，将实验结果与理论值比较，分析误差原因。