《電子技術(shù)應(yīng)用》
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集成運(yùn)算放大器構(gòu)成交流放大電路的設(shè)計(jì)
摘要: 集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放或運(yùn)放)在電子電路中應(yīng)用非常廣泛。運(yùn)放的多數(shù)典型應(yīng)用電路在各類(lèi)電子技術(shù)教科書(shū)中都有詳細(xì)和深入的分析,而用集成運(yùn)放構(gòu)成交流信號(hào)放大電路很多教科書(shū)卻沒(méi)有介紹,有些教科書(shū)雖有介紹,但是介紹簡(jiǎn)單,分析不全面。
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  0 引言

  集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)集成運(yùn)放或運(yùn)放)在電子電路中應(yīng)用非常廣泛。運(yùn)放的多數(shù)典型應(yīng)用電路在各類(lèi)電子技術(shù)教科書(shū)中都有詳細(xì)和深入的分析,而用集成運(yùn)放構(gòu)成交流信號(hào)放大電路很多教科書(shū)卻沒(méi)有介紹,有些教科書(shū)雖有介紹,但是介紹簡(jiǎn)單,分析不全面。用集成運(yùn)放構(gòu)成的交流放大電路具有線路簡(jiǎn)單、免調(diào)試、故障率低等優(yōu)點(diǎn),如今許多電子產(chǎn)品中的交流放大電路普遍采用運(yùn)放構(gòu)成,全面分析集成運(yùn)放構(gòu)成的各種交流放大電路的組成和參數(shù)計(jì)算,有助于對(duì)該類(lèi)電路的檢修,以及合理設(shè)計(jì)和使用集成運(yùn)放構(gòu)成的交流放大電路。

  1 運(yùn)放交流放大電路的分析

  1.1 使用雙電源的運(yùn)放交流放大電路

  為了使運(yùn)放在零輸入時(shí)零輸出,運(yùn)放的內(nèi)部電路是按使用雙電源的要求來(lái)設(shè)計(jì)的。運(yùn)放交流放大電路采用雙電源供電,可以增大動(dòng)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(yùn)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(fù)反饋,并使集成運(yùn)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(guò)R和C分流,形成交流部分反饋,為電壓串聯(lián)負(fù)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(shí),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(yùn)放的飽和。

使用雙電源的同相輸入式交流放大電路

  無(wú)信號(hào)輸入時(shí),運(yùn)放輸出端的電壓V0≈0V,交流放大電路的輸出電壓U0=0V;交流信號(hào)輸入時(shí),運(yùn)放輸出端的電壓V0在-VEE~+VCC之間變化,通過(guò)C2輸出放大的交流信號(hào),輸出電壓uo的幅值近似為VCC(VCC=VEE)。引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋后,放大電路的電壓增益公式為放大電路輸入電阻Ri=R1//γif。γif是運(yùn)放引入串聯(lián)負(fù)反饋后的閉環(huán)輸入電阻。γif很大,所以Ri=R1/γif≈R1;放大電路的輸出電阻R0=γof≈0,γof是運(yùn)放引入電壓負(fù)反饋后的閉環(huán)輸出電阻,rof很小。

  1.1.2 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(fù)反饋,C1隔直流,使直流形成全反饋,交流通過(guò)R和C1分流,形成交流部分反饋,為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。為了減小運(yùn)放輸入偏置電流造成的零點(diǎn)漂移,可以選擇R1=RF。引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋后,放大電路的電壓增益為公式因?yàn)檫\(yùn)放反相輸入端"虛地",所以放大電路的輸入電阻Ri≈R;放大電路的輸出電R0=r0f≈0。

使用雙電源的反相輸入式交流放大電路

  1.2 使用單電源的運(yùn)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(shí),當(dāng)集成運(yùn)放輸出端的直流電壓不為零時(shí),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。所以不需要集成運(yùn)放滿(mǎn)足零輸入時(shí)零輸出的要求。因此,集成運(yùn)放可以采用單電源供電,其-VEE端接"地"(即直流電源負(fù)極),集成運(yùn)放的+Vcc端接直流電源正極,這時(shí),運(yùn)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(yùn)放交流放大電路中,為了不使放大后的交流信號(hào)產(chǎn)生失真,靜態(tài)時(shí),一般要將運(yùn)放輸出端的電壓V0設(shè)置在0至+Vcc值的中間,即V0=+Vcc/2。這樣能夠得到較大的動(dòng)態(tài)范圍;動(dòng)態(tài)時(shí),V0在+Vcc/2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Vcc/2。

  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流放大電路。電源Vcc通過(guò)R1和R2分壓,使運(yùn)放同相輸入端電位由于C隔直流,使RF引入直流全負(fù)反饋。所以,靜態(tài)時(shí)運(yùn)放輸出端的電壓V0=V-≈V+=+Vcc/2;C通交流,使RF引入交流部分負(fù)反饋,是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。放大電路的電壓增益為

  放大電路的輸入電阻Ri=R1/R2/rif≈R1/R2,

  放大電路的輸出電阻R0=r0f≈0。

使用單電源的運(yùn)放交流放大電路

  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(guò)R1和R 2分壓,使運(yùn)放同相輸入端電位公式為了避免電源的紋波電壓對(duì)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(fù)反饋。所以,靜態(tài)時(shí),運(yùn)放輸出端的電壓V0=V-≈V+=+Vcc/2;C1通交流,使RF引入交流部分負(fù)反饋,是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。放大電路的電壓增益為公式放大電路的輸入電阻Ri≈R,放大電路的輸出電阻R0=r0f≈0。

使用單電源的反相輸入式交流放大電路

  2 運(yùn)放交流放大電路的設(shè)計(jì)

  在設(shè)計(jì)單級(jí)運(yùn)放交流放大電路時(shí),

  (1)選擇能夠滿(mǎn)足使用要求的集成運(yùn)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(duì)集成運(yùn)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(lái)考慮選用集成運(yùn)放。對(duì)脈沖信號(hào)、寬頻帶交流信號(hào)和視頻信號(hào)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(yùn)放。對(duì)音質(zhì)要求比較高的音頻交流放大電路中常采用高速低噪聲的集成運(yùn)放,如雙運(yùn)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(yùn)放交流放大電路盡量采用雙電源供電方式,以增大線性動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)集成運(yùn)放雙電源使用時(shí),正、負(fù)電源電壓一般要對(duì)稱(chēng)。且電源電壓不要超過(guò)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(fù)電源接線與地之間分別加0.01~0.1 μF的電容退耦。使用單電源供電時(shí),運(yùn)放同相輸入端電位要小于該運(yùn)放的最大共模輸入電壓。

  (3)確定輸入信號(hào)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?yàn)榉聪噍斎胧浇涣鞣糯箅娐份斎腚娮璧奶岣邥?huì)影響電壓增益。由圖2或圖4相關(guān)計(jì)算式可知,增大反相輸入式交流放大電路輸入電阻時(shí),該電路電壓增益將減小,且電壓增益也會(huì)受信號(hào)源內(nèi)阻的影響。所以在設(shè)計(jì)反相輸入式交流放大電路時(shí),有時(shí)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(shí),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(duì)電壓增益無(wú)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(duì)電路做一些改進(jìn),改進(jìn)電路如圖5所示。

單電源同向輸入式交流放大電路

  該放大電路輸入電阻Ri≈R3,當(dāng)R3值 圖5見(jiàn)原稿選擇大時(shí),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(jí)運(yùn)放交流放大電路的電壓增益Au通常不要超過(guò)100倍(40dB)。過(guò)高的電壓增益不但會(huì)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(gè)放大倍數(shù)比較大的放大器,可用兩級(jí)等增益的運(yùn)放電路或者多級(jí)等增益的運(yùn)放電路來(lái)實(shí)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1~100kΩ之間比較合適。高速的應(yīng)用中阻值在100Ω~1k Ω之間,但會(huì)增大電源的消耗。便攜設(shè)計(jì)中阻值在1~10M Ω之間,但會(huì)增大系統(tǒng)噪聲。先設(shè)定圖中運(yùn)放反向輸入端R電阻值,根據(jù)相關(guān)電路的電壓增益計(jì)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(hào)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(hào)頻率的高低選擇耦合電容值。若放大的是低頻交流信號(hào),如音頻信號(hào),耦合電容值可選擇1~22 μF之間;若放大的是高頻交流信號(hào),耦合電容值可選擇1000pF~0.1 μ 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=1/20πfR式估算。式中f是輸入信號(hào)的最低頻率。音頻信號(hào)的最低頻率為20Hz,當(dāng)R≥1k Ω時(shí),經(jīng)過(guò)上式估算,選擇C=100 μF時(shí),已經(jīng)能夠滿(mǎn)足要求。濾波電容值選擇100~1000 μ F之間。

  3 結(jié)束語(yǔ)

  在引入深度交流負(fù)反饋的情況下,運(yùn)放交流放大電路的電壓增益、輸入電阻等的大小僅與集成運(yùn)放外接的電阻有關(guān)。因此,相對(duì)于三極管交流放大電路而言,運(yùn)放交流放大電路的設(shè)計(jì)更方便,電路參數(shù)的一致性也較好。

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