模拟电子系统的设计 与集成运算放大器的使用

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1 模拟电子系统的设计 与集成运算放大器的使用

2 主要内容 运算放大器的基础知识 运算放大器的基本电路 典型模拟电路 模拟电子系统的设计方法

3 运算放大器基础知识（1） 1、什么是运算放大器？
运算放大器(operational amplifier)简称为运放，是一种高增益直流放大器，最初因用在模拟计算机中进行各种数学运算而得名，如果将整个运算放大器制成在一个小硅片上，就成为集成运算放大器(integrated operational amplifier)。 由于集成运放具有使用方便、性能稳定、可靠性高、寿命长、体积小、重量轻、耗电少等优点得到了广泛应用。可完成放大、振荡、调制、解调等模拟信号的各种运算和处理。

4 运算放大器基础知识（2） 2、运算放大器的分类
分类方法：运算放放大器对于分类没有严格的定义，习惯上只是按特点进行划分类型，主要有以下几种划分方法： 性能特点； 内部电路组成； 封装形式； 特殊功能； 应用领域等。

5 运算放大器基础知识（3） （1）按性能特点分：
通用运放；高精度运放（精密运放）；低噪声运放；宽带运放；高阻运放；高速运放；低电压运放；轨至轨运放；高压运放；低功耗运放；功率运放 （2）按封装分： 单运放；双运放；四运放；双列直插（DIP）；单列直插（SIP）；表面贴装 （3）按功能分： 通用运放；音频运放；视频运放；功率运放；仪表放大器；差分放大器；互阻放大器；可控增益放大器 （3）按内部电路分： 双极性运放；MOS运放；电流模运放；电压模运放

6 运算放大器基础知识（4） 3、各类运放的特点：
通用运放：指标一般，价格较低，性价比高，没有突出特点，应用广泛的运放。 高精度运放：稳定性、跟踪特性、噪声特性等稳态指标很高的一类放大器，但是没有指标专门来表示精度或精密度。与其相关联的指标有：失调电压（低阻运放）小，失调电流（高阻运放）小，失调电压温漂小，失调电流温漂小，噪声系数小，开环增益高、共模抑制比高。高精度放大器一般用来放大微小的直流或微小的低频交流信号。 相关类型有：低噪声或超低噪声放大器；低失调或超低失调放大器 高稳定性放大器 宽带放大器：主要是频带比较宽的放大器。与其关联的指标主要有：单位增益带宽较宽，压摆率较高等。单位增益带宽大于1MHz一般就称为宽带放大器。带宽在高端的放大器一般阻抗较低。有些宽带放大器单位增益不稳定。 相关类型有：音频放大器；视频放大器

7 运算放大器基础知识（4） 音频放大器：主要用于音频信号放大的放大器，特点是失真很低，带宽较宽。也可以当作通用运放来使用。主要指标有:单位增益带宽；失真度等。使用时应注意的是尽管单位增益带宽较宽，但接成反馈放大器后，带宽将保持在50KHz左右，不会随增益的降低而提高。 视频放大器：主要用于视频信号放大的放大器，特点是失真很低，带宽较宽，相移很小。也可以当作通用运放来使用。主要指标有:单位增益带宽；微分增益；微分相移等。使用时应注意的是尽管单位增益带宽较宽，但接成反馈放大器后，带宽将保持在6MHz左右，不会随增益的降低而提高。 高速放大器：高速放大器是输出电压的转换速率比较高的放大器。与其关联的指标主要有：单位增益带宽较宽，压摆率较高等。 高速放大器与宽带放大器有关联也有区别：宏观上讲频带宽的放大器电压转换速率也高。但有时候在两个性能接近的宽带和高速放大器之间指标可能出现相反的情况，即宽带放大器的单位增益带宽大于高速放大器的带宽，而压摆率却小于高速放大器。主要问题是两种放大器的设计目标不同，宽带放大器追求的是稳态指标带宽，高速放大器追求的是瞬态指标转换速率。

8 运算放大器基础知识（5） 高阻放大器：高阻放大器的输入阻抗比较高。一般采用场效应管做输入级或全MOS技术。与其相关联的指标有：输入阻抗，输入偏置电流，输入失调电压及温漂。 相关类型有：互阻放大器，电荷放大器 低压运放：工作电源电压比较低的放大器。甚至可单节电池供电。主要指标有：电源电压低，输入输出电压范围尽量接近电源，功耗小。 相关类型有：低功耗运放，轨至轨运放，MOS放大器，高阻放大器 低功耗运放：静态功耗比较低的运放。主要指标有：静态电流 轨至轨运放：输入输出电压的摆动范围接近电源的运放。 高压运放：电源电压比较高的运放。 相关类型有：功率放大器，缓冲驱动器

9 运算放大器基础知识（5） 仪表放大器：主要用在电磁干扰比较大的工业环境中的仪器设备，一般用来放大各种换能器或传感器输出的信号，要求有高的共模抑制比、高输入阻抗、平衡输入、高稳定性等。 仪表放大器可以用三个高精度运放实现，也可以用专门的仪表放大器 可控增益放大器：在使用的过程中可以改变增益，分为连续改变和分档改变、程序改变。主要用于仪表前端放大器改变量程。

10 运算放大器基础知识（6） 4、运放大主要参数： （1） 输入失调电压Vio：
对于理想集成运放，当输入电压为零时，输出电压应该为零。但由于制造工艺等原因，实际的集成运放在输入电压为零时，输出电压常不为零。为了使输出电压为零，需在输入端加一适当的直流补偿电压，这个输入电压叫做输入失调电压Vio，其值等于输入电压为零时，输出的电压折算到输入端的电压值。Vio一般为毫伏级，它的大小反映了差动输入级的对称程度，失调电压越大，集成运放的对称性越差。 失调温漂dVio/dT

11 运算放大器基础知识（7） (2)输入失调电流Iio： 输入失调电流是指输入信号为零时，两个输入端静态电流IB1与IB2之差，一般为输入静态偏置电流的十分之一左右。IiO是由差动输入级两个晶体管的值不一致所引起的。 失调电流温漂:dIiO/dT

12 运算放大器基础知识（8） (3)开环电压增益Kd：
开环电压增益是指集成运放在无外接反馈电路时的差模电压放大倍数。也可用Kd的常用对数表示。一般运放的开环电压增益都很大，为60~100dB，高增益运放可达140dB(即107)。

13 运算放大器基础知识（9） (4)输入阻抗Rid和输出阻抗Ro：
输入阻抗Rid是指运放开环运用时，从两个输入端看进去的动态阻抗，它等于两个输入端之间的电压Ui变化与其引起的输入电流Ii的变化之比，即Rid =∆Ui/∆Ii， Rid越大越好。双极型晶体管输入级的Rid值为 Ω，单极型场效应管输入级Rid可达109以上。输出阻抗Ro是指运放开环运用时，从输出端与地端看进去的动态阻抗。一般在几百欧姆之内。

14 运算放大器基础知识（10） (5)共模抑制比CMRR： 共模抑制比是指集成运放开环运用时，差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。CMRR值越大，抗共模干扰能力越强，一般集成运放的CMRR都可达到80dB，高质量的集成运放可达l00dB以上。

15 运算放大器基础知识（11） (6) 单位增益带宽BWG 等效为增益为1时对应的频带宽度，经常称为增益带宽积GBW。
估算实际放大器增益一定时的带宽： BW=（GBW）/G 估算实际放大器带宽一定时对应的最高放大倍数： G=（GBW）/BW

16 运算放大器基础知识（12） (7)转换速率SR（压摆率） 在输入为理想上升沿或下降沿时，输出信号的变化速率，既输出电压在脉冲时的最大摆动速率或转换速率。一般情况下，速率高的运放带宽也宽，有时这种关系不绝对，原因是一个是稳态参数，另一个是瞬态参数。他们之间的近似关系： 设 则

17 运算放大器基础知识（13） （8） 理想运算放大器的特点 （1）开环差模电压放大倍数Aud→∞; （2）差模输入电阻Rid→∞;
（3）输出电阻Ro→0; （4）共模抑制比CMRR→∞; （5）输入偏置电流IB1=IB2=0； （6）失调电压、失调电流及温漂为0。 利用理想运放分析电路时，由于集成运放接近于理想运放，所以造成的误差很小，若无特别说明，均按理想运放对待。

18 运算放大器基础知识（14） （9）“虚短”与“虚断”的概念
(1)由于集成运放的差模开环输入电阻Rid→∞，输入偏置电流IB≈0，不向外部索取电流，因此两输入端电流为零。即Ii-=Ii+=0，这就是说，集成运放工作在线性区时，两输入端均无电流，称为“虚断”。 (2)由于两输入端无电流，则两输入端电位相同，即U-=U+。由此可见，集成运放工作在线性区时，两输入端电位相等，称为“虚短”。

19 运算放大器基础知识（15） （10）负反馈是集成运放线性应用的必要条件
由于集成运放的开环差模电压放大倍数很大(Aud→∞)，而开环电压放大倍数受温度的影响，很不稳定，采用深度负反馈可以提高其稳定性；此外运放的开环频带窄，例如F007只有7Hz，无法适应交流信号的放大要求，加负反馈后可将频带扩展(1+AF)倍。负反馈还可以改变输入、输出电阻等。所以要使集成运放工作在线性区，采用负反馈是运放线性应用必要条件。

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21 运算放大器基础知识（16）

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24 运算放大器使用应注意的问题（1） （1）调零问题：
运算放大器存在失调电压和失调电流，将导致输入为零时输出不为零，作为直流放大器时应加以调整。 利用调零端子调整：比较方便，但调整范围小，可能会影响到失调温漂 外加调零电路调整：要外加电路，调整范围大，与增益关系密切 （2）直流回路问题：运放的输入端必须保持有直流回路，以提供偏置电流。 （3）直流电阻平衡问题：输入端直流电阻不平衡会导致直流电压的偏差 （4）输入保护问题：一般运放的输入电压都不能超过电源电压0.3V，否则会引起输入端的损坏。 （5）单、双电源问题：双电源的中点是0V，可以做到零输入、零输出。但电源时必须偏置到电源的一半。 （6）输出驱动问题：输出端负载电阻的最小值，要根据运放的驱动能力来定，实际输出电流超过驱动能力将使输入输出关系破坏或损坏。 （7）自激振荡问题

25 运算放大器的基本电路（1） （1）反相放大器：

26 运算放大器的基本电路（2） （2）同相放大器：

27 运算放大器的基本电路（3） （3）减法器

28 运算放大器的基本电路（4） （4）微、积分器：

29 运算放大器的基本电路（5） （5）电阻电压转换器：

30 运算放大器的基本电路（6） （6）电流电压转换器：

31 运算放大器的基本电路（7） （7）仪表放大器 v s1 - + 2 R 3 4 1 s2 o1 o2 o A

32 运算放大器的基本电路（8） （8）电压电流转换器

33 运算放大器的基本电路（9）

34 运算放大器的基本电路（10）

35 运算放大器的基本电路（11） (9) 比较器

36 运算放大器的基本电路（12） （10）线性检波器（半波）

37 运算放大器的基本电路（12） （10）线性检波器（全波）
Vi>0时，D2截止，D1导通， Vo1 =- Vi ， Vo =- Vi-2 Vo1= Vi Vi<0时，D1截止，D2导通， Vo1 =0 ， Vo =- Vi Vo =│Vi│

38 热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。 热电阻、热敏电阻。
热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。

39 热电阻的结构 电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。

40 常用热电阻 1. 常用热电阻 对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定
1. 常用热电阻 对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定 复现性好等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 

41 铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。
按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200～850℃。铂热电阻的特性方程为： 在-200～0℃的温度范围内 Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］

42 铂热电阻 在0～850℃的温度范围内  Rt = R0(1+At+Bt2) 在ITS—90 中，这些常数规定为
C=-4.183×10-12/℃4

43 铂热电阻 可见：热电阻在温度t时的电阻值与0℃时的电阻值R0有关。
目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。 铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。

44 铂电阻分度表

45 铜热电阻 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温， 它的测量范围为-50～150℃。 
铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为 Rt=R0（1+αt） α=4.28×10-3/℃ 两种分度号：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。 

46 铜热电阻的分度表 分度号：Cu50 温度/℃ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 电阻/Ω －0 50.00 47.85
10 20 30 40 50 60 70 80 90 电阻/Ω －0 50.00 47.85 45.70 43.55 41.40 39.24 52.14 45.28 56.42 58.56 60.70 62.84 64.98 67.12 69.26 100 71.40 73.54 75.68 77.83 79.98 82.13

47 铜热电阻的特点 铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。
缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100 ℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。

48 热电阻的测量电路 　　用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。 　　热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。

49 热电阻的测量电路 内部引线方式

50 热电阻的测量电路 这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。 两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。

51 热电阻的测量电路 电源线接到热电阻的一端，导线电阻分到电桥的两个臂中，很大程度上减少了其影响。用于工业测量，精度一般。

52 热电阻的测量电路 完全消除了导线的影响。实验室用，高精度测量

53 热电偶的测量电路 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。
温差电势在回路中抵消，回路总电势： k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量， T——接触处的温度，NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。

54 热电偶的测量电路 T T0 T T0 1)均质导体定律 2)中间导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。 T T0 2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。 T T0 V

55 3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得： = A C T T0 — B A B T T0 4)中间温度定律 热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示： 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。

56 5）标准型热电偶 主要有：铂铑30-铂铑6热电偶，分度号“B”； 铂铑10-铂热电偶，分度号“S”；镍铬-镍硅热电偶 ，分度号“K”；镍铬-康铜热电偶 ，分度号“E”；铁-康铜热电偶，分度号“J”；铜-康铜热电偶，分度号“T”。 2）非标准型热电偶 非标准型热电偶包括铂铑系、铱铑系及钨铼系热电偶等。

57 由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线可以做到这一点。
6）冷端补偿 由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度，由于很难保证冷端温度在恒定0℃故常采取一些冷端补偿措施，主要有：冷端恒温法 、补偿导线法 、计算修正法 和电桥补偿法等几种。 7）补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线可以做到这一点。 所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～150℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。

58 电子秤的设计与实现

59 1、系统框图

60 2、秤重传感器 1)简介： 应变片原理，采用双孔平行梁结构； 体积小，重量轻； 精度高，抗偏载能力强； 结构紧凑，安装方便；
广泛应用：小量程测力实验，台秤，计价秤等场合。 2)原理 把应变片用特殊胶粘剂粘固在弹性体上，制作成惠斯登电桥的应变电阻，当弹性体受力变形时，应变片电阻值也变化，电桥输出相应的电信号。

61 电子秤结构

62 4、A/D转换器

63 MCLK IN： 芯片工作时钟输入。可以是晶振或外部时钟，其频率范围为500KHZ到5MHZ。
引脚功能及说明： SLK： 串行接口时钟输入端。 MCLK IN： 芯片工作时钟输入。可以是晶振或外部时钟，其频率范围为500KHZ到5MHZ。 MCLK OUT：时钟信号输出。当用晶振作为芯片的工作时钟时，晶振必须接在MCLK OUT 和MCLK IN 之间。如果采用外部时钟，则MCLK OUT 可用于输出反相时钟信号，以作为其他芯片的源。 该时钟输出可以通过编程来关闭。 /CS： 片选端，低电平有效。 /RESET： 芯片复位端口。当该端为低电平时，AD7705/AD7706芯片内的接口逻辑、自校准、数据滤波器等均为上电状态。 AIN1(+)，AIN1(-)： 分别为第2 个差分输入通道的正端与负端。 AIN2(+)，AIN2(-)： 分别为第9 个差分输入通道的正端与负端。 REF IN(+)，REF IN(-)：分别为参考电压的正端与负端。 DIN： 串行数据输入端。 DOUT： 转换结果输出端。 RDRY-： AD 转换结束标志。 AD7705 包含了8 个片内寄存器,这些寄存器通过器件的串行口访问,所有的操作都是通过对寄存器的操作。 第一个是通信寄存器,器件复位后,通信寄存器处于等待状态,通过通信寄存器写操作,决定下一次操作是写还是读,同时决定下一次读操作或写操作发生在那个寄存器上。也就是说所有的寄存器(包括通信寄存器本身和输出数据寄存器) 进行读操作之前,必须首先写通信寄存器,然后才能读选定的寄存器。下面简单介绍寄存器的功能。 0/ DRDY : 写操作时此位必须为0 ,读操作时表示数据寄存器数据是否准备好。相当于DRDY引脚 RS2 ,RS1 ,RS0 : 寄存器选择位。 R/ W : 读写选择。“0”表示下一次是写操作。“1”表示下一次是读操作。 STBY : 等待模式,写入“0”器件处于正常工作模式。 CH1 ,CH : 通道选择,00 选择通道1 ,01 选择通道2。

64 MD1 ,MD0 : 工作模式选择位,00 为正常工作模式,01 为自校准,10 为零刻度系统校准,11 为满刻度系统校准。　
G2 ,G1 ,G0 : 增益选择位,00～08 分别对应增益值1～128。 B / U : 单极性/ 双极性择位“, 0”表示双极性。 BUF : 输入缓冲控制位“, 0”表示无缓冲。 FSYN : 滤波器同步。 ZERO : 必须为0 ,否则,会导致器件的非指定操作。 CLKDIS : 主时钟禁止位“, 1”禁止时钟在MCLKOUT引脚输出。 CLKDIV : 时钟分频位。 CLK : 时钟位。时钟频率为 MHz 时,该位设置为“1”, 时钟频率为1MHz 时,该为“0”。 FS1 ,FS0 : 滤波器选择位,与CLK一起决定器件的输出更新率。如表1。 表1 　FS1、FS0 与CLK决定的器件输出更新率 数据寄存器:这是一个十六位只读寄存器,它包含了最新的转换结果。0 测试寄存器:用于测试期间器件,用户一般不用。 零标度校准寄存器和满标度校准寄存器:都是24 位,用户一般不用。

65 A/D转换电路图

66 A/D时序图

67 SPI总线简介 SPI(Serial Peripheral interface)-----串行外围设备接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议. SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。 （1）SDO     – 主设备数据输出，从设备数据输入 （2）SDI      – 主设备数据输入，从设备数据输出 （3）SCLK   – 时钟信号，由主设备产生 （4）CS        – 从设备使能信号，由主设备控制

68 其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。 要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。 在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。 最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

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