中国职称论文咨询网,正规可靠专业的中高级职称论文发表机构!

400-6800-558

服务热线
当前位置:首页 > 论文范文 > 职称论文范文 > 集成运算放大器的教材改进

集成运算放大器的教材改进

来源:中国职称论文咨询网作者:kaiting时间:2018-12-19 10:45

  这篇集成电路类论文发表了集成运算放大器的教材改进,在集成运算放大器的教材中,大都缺少关于集成运放在信号处理方面、供电电源的使用方面的实用知识,而这些知识在社会实践中是经常用到的。因此,有必要对有关教材做这方面的补充和完善。

  关键词:集成电路类论文,集成运算放大器,教材的短版,单电源,增益带宽积

集成电路类论文

  集成运算放大器在通信、信号处理、自动控制、测量等各种电子设备中是必不可少的器件,多届的电子设计竞赛之所以都涉及运放的应用技能,正是基于运放在电子技术中的这种重要性。

  本人通过对电子竞赛题的解析,结合实际经验,就运放的一些实用知识做了探讨,兹以本文进行简要阐述。

  1 教材的短版

  目前,高职高专之电工电子教材在运放实用知识方面存在一些短版,现将本人在教学过程中使用或拜读过的教材所存在的短版罗列如下:

  2 针对短版的改进

  针对表1所列举的教材短版,应该补充以下内容,以增强运放的实用性知识。

  2.1 运放的单电源使用

  运放既可以放大直流信号,也可以放大交流信号。对于交流信号的放大,为使运放具有大的动态范围,一般都使用双电源。但运放使用单电源更具便捷性和实用性,有时甚至使用不对称双电源。而表1所列举的教材中,对供电电源都是轻描淡写,几乎清一色地使用对称双电源(±VCC)。

  运放不管使用何种电源,为使其都能对交流信号进行不失真地放大,必须把Q点设置在正、负电源之间的中点,这个Q点就是运放的虚“地”,如图1、图2、图3所示[1]。

  显然,使用单电源时电路的动态范围只是使用对称双电源时的一半。

  2.2 使用不同电源时的交流放大电路

  (1)双电源

  (2)单电源

  图6、图7电路中的两个100K电阻是分压偏置电阻,它们使运放的Q点置于Vcc/2偏置处。

  C1是消振电容,起稳定信号作用(有时可有可无);C2起隔直作用,是必不可少的,如果省去C2(将R2的一端直接接地),电路就失去了Vcc/2偏置,因此不能正常工作。

  2.3 运放的增益带宽积

  各种电工电子教材在阐述运放的主要参数时,绝大多数只讲运放的直流参数,很少提及交流参数。对于交流信号的放大,关于频率的交流参数是选用运放的一个重要技术指标。所谓增益带宽积(GBW) ,是指电压放大倍数AV与带宽BW的乘积(GBW=AV×BW),BW也称为-3dB带宽(BW=f H -f L),是指AV下降3dB(相当于AV下降到0.707AV)所对应的信号频率宽度,如图8、图9所示。(采用直接耦合输入时f L=0)

  通用型集成运放的-3dB带宽只有几Hz到十几Hz,但增益带宽积是个常数(AV×BW=常数)。例如LM324的增益带宽积约为1MHz,当其开环电压放大倍数AV=10 5时,其开环带宽为10Hz左右;而当闭环放大倍数AV=10时,闭环带宽约为100KHz,可见:AV×BW=10 6,两个增益带宽积是基本相同的。

  由于LM324的GBW较低,由其组成的方波产生电路,当振荡频率为10kHz时,方波信号已开始失真成了梯形波(如圖10所示)。

  2.4 减少理论推导知识,增加实际应用电路

  以上知识是实际应用时的必须知识,也是多届的全国大学生电子设计竞赛中考核的知识。因此,下面通过解析电子竞赛综合测评题,阐述运放在信号处理方面的实际应用电路。

  3 电子设计竞赛综合测评题解析

  3.1 2015年全国大学生电子设计竞赛综合测评题:

  多种波形产生电路

  使用题目指定的综合测试板上的555芯片、74LS74芯片和一片通用四运放324芯片,设计制作一个频率可变的可输出方波Ⅰ、方波Ⅱ、三角波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的多种波形产生电路。

  (1)设计制作要求

  使用555时基电路产生频率为20kHz~50kHz的方波Ⅰ作为信号源;利用此方波Ⅰ,可在四个通道输4种波形:每通道输出方波Ⅱ、三角波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ中的一种波形,每通道输出的负载电阻均为600欧姆。

  (2)五种波形的设计要求

  ① 使用555时基电路产生频率为20kHz~50kHz连款可调,输出电压幅度为1V的方波Ⅰ;

  ② 使用74LS74,产生频率为5kHz~10kHz连款可调,输出电压幅度为1V的方波Ⅱ;

  ③ 使用74LS74,产生频率为5kHz~10kHz连款可调,输出电压幅度峰峰值为3V的三角波;

  ④ 产生输出频率为20kHz~30kHz连续可调,输出电压幅度峰峰值为3V的正弦波I;

  ⑤ 产生输出频率为250kHz,输出电压幅度峰峰值为8V的正弦波Ⅱ。

  (3)电源只能选用+10V单电源,由稳压电源供给。不得使用额外电源。

  3.2 解题过程

  (1)设计方案

  根据设计思路,设计电路方案如下(如图11):

  (2)整机电路原理图

  该电路中,开关Sw1、Sw2都置于“1”时,电路输出低频信号①~④;开关Sw1、Sw2都置于“2”时,电路输出高频信号⑤。每路输出负载由两只1.2KΩ电阻并联而得600Ω电阻。

  Rw1用于调节矩形脉冲的占空比,Rw2用于调节振荡频率,Rw3用于调节方波Ⅰ的幅值,

  Rw4用于调节方波Ⅱ的幅值,Rw5用于调节三角波的幅值,Rw6用于调节正弦波I的波形和幅值。A2空置不用。

  (3)与运放有关的单元电路说明

  ① +5V电源获取电路

  图12为由运放构成的电压跟随器。

  所谓电压跟随器,就是输出电压与输入电压同幅同相。输入可以是交流电压,也可以是直流电压。图12整机电路中的运放A4组成电压跟随器,第14脚输出+5V电压,为数字集成电路74LS74提供电源,同时,为运放A1~A3能使用单电源而提供同相端偏置。

  需要说明的是,LM324的输出电流是40mA,足够一片74LS74用,且运放具有“虚断”特性,A1~A3的同相端偏置输入电流几乎为零。

  ② 三角波形成电路

  图13为由运放构成的积分电路,可将方波整形得到三角波。图中RC是反馈支路,C起主要反馈作用,为了得到线性良好的三角波,并联了电阻R。

  ③ 正弦波形成電路

  下图14是一个二阶有源低通滤波器,可将方波整形得到正弦波(实际上是从方波中滤出一次谐波分量),C3是消振电容。

  该电路的截止频率为:

  3.3 实际电路测试结果分析

  其他波形均能很好达到题目要求,只有正弦波Ⅱ幅值未能达到8V,原因是LM324的GBW小,250kHz信号不但不能起放大作用,反而衰减严重。因此,在解答上述综合测评题时,不能用LM324对250kHz信号进行放大,只能用低通滤波器将250kHz方波整形得到正弦波[2],但由于是无源的,获得的正弦波衰减较大,幅值达不到8V(用Proteus7.8软件进行仿真时,能获得8V的正弦波。可见仿真与实际是有差别的)。

  4 结束语

  集成运放在信号处理、自动化控制等方面应用广泛。本文主要阐述运放在单电源供电及交流信号处理方面的应用。通过对竞赛题的解答分析,展示电子学中运放的一些基本单元电路的拓展知识及实际应用,而这些知识是目前高职高专之电工电子教材存在的短版,因此建议改进如下:

  (1)增加单电源的使用知识;

  (2)增加关于频率方面的交流参数及其解释说明;

  (3)减少运放各种典型应用公式的理论推导,列举一两个,其他的罗列出来即可;

  (4)增加实际应用电路,既有线性应用也有非线性应用的电路实例。

  谨以本文为电子爱好者在实际使用运放时提供参考,并为改进高职高专教材在运放实用性方面提供素材。

  参考文献

  [1] 符庆.集成运算放大器使用电源的不对称性[J].海南大学学报,2013,121(04):332.

  [2] 符庆.2014年海南省电子竞赛题解析[J].电子制作,2015,(4z): 172-173.

  推荐阅读:《软件和集成电路》主管单位:国家信息产业部,主办单位:中国电子信息产业发展研究院;北京中电报发展有限公司。



更多>>

优质职称论文发表期刊推荐