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集成运算放大器是一种具有很高的开环电压放大倍数的直接耦合放大器。它的主要作用除了组成加、减、乘、除、微分、积分等数学运算电路外,目前更多运用是可以组成各种比较器、振荡器、有源滤波器和采样保持器等。广泛应用于信号处理、测试、自动控制等领域。
不同的电子电路对集成运算放大器的要求不同,要选择一个合适的运算放大器,首先须了解设计对放大器的要求。理想的运算放大器具有无限大的开环增益、带宽和输入阻抗,其失调电压、温漂、输入偏置电流、输出阻抗、噪声电压和电流都为零,它可在任意电源电压下工作。但这种完美的运算放大器实际上根本不存在,也不可能存在。厂商提供的各种运算放大器都有各自不同的性能和特点,即使是同一厂家生产的统一型号的运放,其参数也不一定一样,用户需要根据要求选择最合适的运算放大器,这一点对军工、航空航天等特殊要求的应用显得尤为重要。
挑选运放的前提是实现运放参数的测量,本论文所设计的运放参数测试系统由线性电源、信号发生器、滤波器、辅助运放系统和控制显示系统组成。通过采取屏蔽和抗干扰措施,实现了运放常见参数的测量,特别是对运放的偏置电流和噪声等指标的检测达到了较高的水平。
电源系统是以三端稳压器件LM317/LM337、LM7805/LM7905为核心的拓扑优化电路,可以提供±15V和±5V的稳定电压输出,能够满足检测电路系统和控制显示电路系统的供电要求。信号源采用文氏正弦波发生器构成,信号频率和振幅都比较稳定。
本文还提出了压控电压源滤波器的快速设计方案,采用RC元件与运算放大器实现滤波,该方案所设计的二阶滤波器在测试运算放大器噪声密度和总噪声中效果良好。
系统采用辅助运放较精确地测定运放主要参数,可以测量的运放参数有:输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、输入噪声电压、输入电阻、输出电阻和噪声特性等。
论文最后采用不同的运放检测光敏二极管的暗电流,实验表明,因运放的偏置电流不同,所测数据误差也各不相同,即不同性能的运放在实际运用中会得到不同结果,证明了运放参数测量的重要性。因此,在选用运放的时候应根据实际情况选择最合适的运算放大器。
相对国内的相关研究现状和产品指标,本论文取得的主要进展和特色如下:
1)可以检测到fA级的超低偏置电流,以及nv级失调电压,更适合现代高品质运放的检测:
2)在分析运放常见噪声类型和实际测量超低噪声运放nV级噪声的基础上,通过MATLAB软件给出了新的运放噪声电压模型,实验证明采用新的模型分析噪声电压规律效果良好。
3)提出了二阶压控电压源低通滤波器快速优化设计方案,该方案有较重要的理论和实用价值。由此所设计的滤波器在检测运放噪声中效果良好。