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探索模拟电路起源——运算放大器神级领悟

2019-09-24
关键词: 模拟电路

  运算放大器作为《模拟与数字电路》中的核心集成器件,其参数的测试电路及测试方法,都将给予学生极大的启发,帮助加深理解电类基础课程。但是,运算放大器的多个参数测试都较为困难,很难得到确切的、准确的实验结果。

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  我们所要借助的科学测量神器,ELVIS III。

  运算放大器,作为模拟电路的起源,如果你只知道虚短虚断就太Low,如果你连虚短虚断都不知道,那就。。。往下看吧,你还小,没接触过不怪你。

  正输入端和负输入端的虚短虚断,就好像正输入端和负输入端都放了一杯水,运算放大器有一种魔法,可以让这两杯水一直保持相同的水位,但是本身不与水接触。

  没有水流入流出运放,没有水流。水杯中的水高度就是电压,正输入与负输入的电位始终相同就是虚短,就好像短路连接在一起一样。

  但是正输入、负输入与运算放大器之间没有电流,就好像断路一样,就叫虚断。

  就好像网恋,一闹一热没聊两句就老公老婆了,就是个名义上占个口头便宜,其实你俩连接不到一起,虚短;

  那也就更不可能产生内部交流,没电流,虚断。

  又或者是备胎,女神啥礼物都收,其实就是个虚短虚断。

  这是运放的典型电路,正输入端接地0V,那么负输入端也是0V,正输入端到运放没有电流,负输入端到运放也没有电流。

  所以电流从R1直接流到R2,到达输出端。

  因为虚断没有电流的特性,如果把运放去掉就非常好理解了,反正也没有电流,相当于断开,只要把负输入端电压钳制为0V符合虚短的特性就行。

  这就是我们非常熟悉的电路了。欧姆定律就能搞定,得出了V0和Vi的关系。

  动态黑色音符

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  这些都太简单,下面才是重头戏。

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  运算放大器测试系统包括:开环增益测试系统、失调电压调整测试系统、压摆率测试系统、全功率带宽测试系统、单位增益带宽测试系统、同相放大器的增益带宽积测试系统。

  一、直流转移特性之开环增益

  运算放大器的动态技术指标,开环增益,即开环电压放大倍数,运算放大器在无外加反馈条件下,输出电压与输入电压的变化量之比。开环电压放大倍数的数值在105量级,也就是100V/mV,运算放大器在输入电压为±15V时,输出电压能够达到12V,那么,运算放大器在无外加反馈条件下,输入电压的变化范围在0.1mV。

  理想的运算放大器开环增益为无穷大,但实际的非理想运算放大器的开环增益通常在100~1000V/mV,并且随负载阻抗、环境温度和电源电压而变化。在额定负载与无负载条件下,开环增益的变化幅度不会超过10倍。多数运算放大器具有正增益温度系数,约为0.5至1%/0C,开环增益随电源而变化的幅度约为2%/%。开环增益影响直流误差,且随着温度变化,当温度升高时所带来的误差较大,开环增益较低的运算放大器不适合高精度场合。

  所述的开环增益测试系统,如图1所示,运算放大器开环增益测试系统图,第一电阻取100kΩ,第二电阻取1kΩ,模拟输出模块的AO端输出电压Vin,运算放大器的输出端电压Vout接入到模拟输入模块的AO端。如图1-2为基于科学测量神器ELVIS III的实测图。

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  图1 开环增益测试图

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  图1-2 开环增益实测图

  模拟输出模块的AO端电压给定,包括起始电压、终止电压、步进电压,起始电压以步进电压为幅度改变至终止电压,起始电压与终止电压必须穿越正负区域,步进电压取值为-1mV到-10uV或10uV到1mV,步进电压为正值时,终止电压大于起始电压,起始电压逐步增加至终止电压,步进电压为负值时,终止电压小于起始电压,起始电压逐步减小至终止电压。为了得到运算放大器最稳定的开环增益测试结果,步进电压的设置为正、负值交替最优。如图2所示,开环增益测试图的数据处理图,添加线性趋势线后,得到直线斜率为7135,再计算电压衰减倍数为101倍,开环增益为720.635V/mV。

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  图2 开环增益实测结果处理

  运算放大器的输出端连接到模拟输入模块的导线不能超过40cm,越短越好,否则,开环增益测试图中,纵坐标为零时的横坐标值会发生偏移,甚至会导致开环增益测试图中的三段波形变成一段,纵坐标一直处于正输出截止电压或负输出截止电压;起始电压为正、终止电压为负时,一段波形的纵坐标都处于正输出截止电压;起始电压为负、终止电压为正时,一段波形的纵坐标都处于负输出截止电压。如图3所示,横坐标是模拟输出模块的给定电压,纵坐标是运算放大器输出端电压,运算放大器输出端至模拟输入模块AI端的线长对开环增益测试的影响图,当线长为10cm和17cm时,开环增益测试图的零点都没有发生偏移,而当线长达到44cm时,开环增益测试图的零点向横坐标正轴偏移1.5V。

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  图3 开环增益测试线长度影响

  如图4所示,横坐标是模拟输出模块的给定电压,纵坐标是运算放大器输出端电压,开环增益测试时,运算放大器不接与接入10kΩ调整电位器的对比图,接入10kΩ调整电位计会使得开环增益测试图向横坐标负轴整体偏移-0.012V。调整电位器接在运放两个调零引脚之间,有些低端运放没有调零端,那就更加不可能有调整电位器。

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  图4 调整电位器对开环增益影响

  二、运放直流转移特性之失调电压

  运算放大器的失调电压eos是指任意温度、电源电压和时间下,运算放大器的输入端为使输出端归零而需要零源阻抗提供的电压。初始失调电压Eos指250C及额定电源电压下的失调电压。在多数运算放大器中,都提供了一定机制,用以通过两个OFFSET引脚接入外部调整电位计将初始失调电压调整为零。有些运算放大器采用内部调整方式,以便保证初始失调电压通常为(±1mV)得到一定量的最大限制,换言之,在某些应用中,外部调整电位计可以消除不用。

  带有两个外部接入调整电位计引脚的运算放大器,接入调整电位计,但是不在该电位计的中间端接入正向或负向电压,再进行开环增益测试时,开环增益测试图第二段的线性斜率完全相同,纵坐标为零时的横坐标值会发生偏移,向横坐标的负轴偏移,此种特定的实验现象是由于运算放大器的内部电路决定。

  所述的失调电压调整测试系统,包括:运算放大器、电压调理模块、模拟输入模块,带有两个外接调整电位计的引脚并接入电位计的两端,电位计的中间引脚接入正偏置电压或负偏置电压;运算放大器的同相输入端与地端连接、反向输入端与输出端连接,输出端经电压调理模块之后接入模拟输入模块的AI端。

  电位计的中间引脚接入负偏置电压时,电位计中间引脚从一端滑动向另一端,运算放大器的输出端电压为负截止电压,当电位计中间引脚继续滑动,直到运算放大器输出端电压开始出现变化,继续滑动,运算放大器输出端电压能够到达-2到-1V,继续滑动,运算放大器输出端电压就会跳变为正截止电压;此时,立刻将电位计中间引脚反向滑动,运算放大器输出端电压并不立刻从正截止电压跳变回负电压,而是有一个迟滞现象,反向滑动电位计中间引脚,正截止电压经过迟滞后开始变小,直到1-2V后,电位计中间引脚继续滑动,运算放大器输出端电压跳变到负截止电压;记录两次跳变时,电位计中间引脚的位置。

  电位计的中间引脚接入正偏置电压,运算放大器输出端电压不会出现迟滞现象且在10mV内,为了增加测量准确性,使用电压调理模块放大输出端电压,改善输入/输出阻抗,测试更加精确;电压调理模块放大100倍电压优选。

  测试接线图如图5所示。基于ELVIS III实测,如图5-2所示。

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  图5 失调电压连接图

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  图5-2 失调电压实测图

  三、运放交流特性之压摆率

  转换速率或压摆率SR:通常表示为v/μs,运算放大器转换速率定义为:运算放大器连接成闭环条件下,将一个大信号(含阶跃信号)输入到运算放大器的同相输入端,从运算放大器的输出端测得上升和下降速率。由于在转换期间,运算放大器的输入级处于开关状态,所以运算放大器的反馈回路不起作用,也就是转换速率与闭环增益无关。

  转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标,对于一般运算放大器转换速率SR≤10V/us,高速运算放大器的转换速率SR>10V/us。目前,高速运算放大器最高转换速率SR达到6000V/us。

  所述的压摆率测试系统,包括:方波信号、运算放大器、示波器,运算放大器的同相输入端接入方波信号,方波信号的幅值取运算放大器电源供电后的截止电压为最优,运算放大器的反向输入端与输出端连接且输出端接示波器观测波形,示波器记录运算放大器输出端波形与运算放大器同相输入端方波信号的变化,运算放大器输出端波形的上升沿和下降沿的斜率绝对值就是运算放大器的压摆率SR。

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  如图6所示,压摆率测试图。基于ELVIS III实测及结果如图6-2所示。

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  图6 压摆率仿真图

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  图6-2 压摆率实测图及实测结果

  四、运放交流特性之全功率带宽

  所述的全功率带宽测试系统,包括:正弦波信号、运算放大器、示波器,运算放大器的同相输入端接入正弦波信号;正弦波信号幅值为Vp,取运算放大器电源供电后的截止电压为最优;运算放大器反向输入端与输出端连接,运算放大器输出端接示波器观测波形,记录运算放大器输出端波形与同相输入端正弦波信号的失调变化,记录运算放大器输出端波形变为三角波时的频率F,并满足公式:2π×频率F×Vp ≥压摆率SR。

  如图7所示,全功率带宽测试仿真测试图,如图7-2为全功率带宽测试结果图。

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  图7 全功率带宽测试图

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  图7-2 全功率带宽实测结果

  五、运放交流特性之单位增益带宽

  单位增益带宽定义为:运算放大器的闭环增益为 1 倍条件下,将一个恒定幅值的正弦波小信号输入到运算放大器的输入端,从运算放大器的输出端测得闭环电压增益下降3db(或是相当于运算放大器输入信号的0.707倍)所对应的信号频率。

  单位增益带宽是一个很重要的指标,对于正弦波小信号放大时,单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积,当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后,计算出单位增益带宽,用以选择合适的运算放大器。

  例如,某个运算放大器的单位增益带宽=1MHz,若实际闭环增益=100倍,则运算放大器处理小信号的最大频率=1MHz/100=10kHz。

  所述的单位增益带宽测试系统,包括:频率扫描的正弦波信号、运算放大器、示波器,运算放大器的同相输入端接入正弦波信号;运算放大器反向输入端与输出端连接,运算放大器输出端接示波器观测波形,示波器记录运算放大器输出端波形与同相输入端正弦波信号并使用伯德图分析函数,记录噪声幅值,并在该幅值的-3dB处记录的频率即为运算放大器的单位增益带宽;频率扫描的正弦波信号的幅值选取50mV~ 500mV。

  仿真及测试如下图所示。图8仿真图,图8-2仿真结果,图8-3实测图,图8-4仿真与实测结果比较图。

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  图8 单位增益带宽仿真图

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  图8-2 单位增益带宽仿真结果

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  图8-3 单位增益带宽实测接线图

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  图8-4 单位增益带宽仿真与实测比较图

  六、运放交流特性之同相放大器增益带宽积

  运算放大器,有同相输入端和反相输入端,输入端的极性和输出端是同一极性的就是同相放大器,而输入端的极性和输出端相反极性的则称为反相放大器。

  运算放大器可以接成同相放大也可以接成反相放大,那使用同相放大好还是反相放大好呢?我们先来看同相放大和反相放大的区别:

  同相放大器

  优点:输入阻抗和运放的输入阻抗相等,接近无穷大。

  缺点:放大电路没有虚地,因此有较大的共模电压,抗干扰能力相对较差,使用时要求运放有较高的共模抑制比,另一个小缺点就是放大倍数只能大于1。

  反相放大器

  优点:两个输入端电位始终近似为零(同相端接地,反相端虚地),只有差模信号,抗干扰能力强。

  缺点:输入阻抗很小,等于信号到输入端的串联电阻的阻值。

  所述的同相放大器的增益带宽积测试系统,包括:频率扫描的正弦波信号、运算放大器、示波器、电阻R1、电阻R2,运算放大器的同相输入端接入正弦波信号;增益倍数为:(1+R1/R2),示波器记录运算放大器输出端波形与同相输入端正弦波信号并使用伯德图分析函数,记录噪声幅值,并在该幅值的-3dB处记录的频率即为运算放大器的带宽,该带宽与增益倍数 (1+R1/R2)的乘以等于单位增益带宽;频率扫描的正弦波信号的幅值选取50mV~ 500mV。

  如下图所示,同相放大器的增益带宽积仿真、实测电路及结果比较,的确,ELVIS III是一款科学测量神器,测试非常精细。

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  图8 同相10倍增益带宽积测试电路

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  图8-2 同相10倍增益带宽积仿真

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  图8-3 同相100倍增益带宽积测试图

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  图8-4 同相100倍带宽积仿真结果

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  图8-5 同相带宽积实测接线图

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  图8-6 10倍带宽积仿真与实测比较

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  图8-7 100倍带宽积仿真与实测比较

  运算放大器乃是模拟电路的起源,运算放大器的理解细致入微,对接下来的模拟电路学习事半功倍,即便是高中生认真学习也能轻松秒杀985本科毕业生。

  其实还没有结束。

  七、集成的本地实验或者高大上酷炫拽的远程虚拟实验

  如果对同学们动手能力要求偏低的学校,还可以选购运算放大器集成参数实验板-本地,如图9所示。

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  图9 运算放大器集成参数实验板-本地

  如果实验学生众多的学校,还可以使用我们配套的运算放大器集成参数实验板-远程,如图10所示,参数能够远程控制。当然,远程必须要搭配我们的测量神器NI ELVIS III平台,如图11所示。

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  图10 运算放大器集成参数实验板-远程

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  图11 搭载测量神器ELVIS III的远程实验

  创新型实验设计,我们是专业滴。


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