運(yùn)放原理介紹PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 運(yùn)放原理介紹運(yùn)放原理介紹 根據(jù)集成運(yùn)放自身所處的工作狀態(tài)，運(yùn)放應(yīng)用電路分：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。 q 線性應(yīng)用電路 - + A Z1 Zf v o vs 1 vs 2 i Z1或Zf采用非線性器件（如三極管），則可構(gòu)成對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法、除法等運(yùn)算電路。 Z1或Zf采用線性器件(R、C)，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運(yùn)算電路。 組成：集成運(yùn)放外加深度負(fù)反饋。 因負(fù)反饋?zhàn)饔?，使運(yùn)放小信號(hào)工作，故運(yùn)放處于線性狀態(tài)。 第1頁(yè)/共44頁(yè) q 非線性應(yīng)用電路 - + Av o vI VREF 組成特點(diǎn)：運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作 。 由于開(kāi)環(huán)工作時(shí)運(yùn)放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運(yùn)放輸

2、出進(jìn)入非線區(qū)工作。例如電壓比較器。 理想運(yùn)放 dv A d i R 0 d o R CMR K BW 失調(diào)和漂移0 推論 d i R 0 d o v A v vv 因 則 vv 因 則 0i 第2頁(yè)/共44頁(yè) vv 說(shuō)明： 0i 相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛短路”。 虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是(v-v+) 的值小到了可以忽略不計(jì)的程度。實(shí)際上，運(yùn)放 正是利用這個(gè)極其微小的差值進(jìn)行電壓放大的。 同樣，虛斷路不能理解為輸入端開(kāi)路，只是 輸入電流小到了可以忽略不計(jì)的程度。 相當(dāng)于運(yùn)放兩輸入端“虛斷路”。 實(shí)際運(yùn)放低頻工作時(shí)特性接近理想化，因此可利用“虛短、虛斷”運(yùn)算法則分析運(yùn)放應(yīng)用電路。此時(shí)，電路

3、輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運(yùn)放內(nèi)部電路。 第3頁(yè)/共44頁(yè) q 集成運(yùn)放基本應(yīng)用電路 反相放大器 - + A R1 R f +- v s v o if i1 類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋 vv 因 則 0 v 反相輸入端“虛地”。 0i 因則 f1 ii 1 s 1 s 1 R v R vv i f o f f R v R vv i o 由圖 輸出電壓表達(dá)式： s v R R v 1 f o 輸入電阻 1i RR 輸出電阻 0 o R 因 0 v 因深度電壓負(fù)反饋 ， 第4頁(yè)/共44頁(yè) 同相放大器 - + A R1 R f +- v s v o if i1 類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋 vv 因

4、則 s vv 注：同相放大器不存在“虛地”。 0i 因 1 s 1 1 0 R v R v i f os f f R vv R vv i o 由圖 輸出電壓表達(dá)式： v R R v R R v s )1 ()1 ( 1 f 1 f o 輸入電阻 i R 輸出電阻 0 o R 因深度電壓負(fù)反饋 ， 0i 因 則 f1 ii 第5頁(yè)/共44頁(yè) 同相跟隨器 - + A +- v s v o 由圖得 so vvv vv 因 由于 1 f v A i R0 o R 所以，同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器。 q 歸納與推廣 當(dāng)R1 、Rf為線性電抗元件時(shí)，在復(fù)頻域內(nèi)： )( )( )( )( s 1 f o sv

5、 sZ sZ sv 反相放大器 )( )( )( 1 )( s 1 f o sv sZ sZ sv 同相放大器 拉氏反變換 ) t ( o v 得 注：拉氏反變換時(shí) t d d s t 1 d s 第6頁(yè)/共44頁(yè) 反相加法器 - + A R2 R f +- vs 2 v o if i2 R1 i1 +- vs 1 vv 因 則 0 v 0i 因則 f21 iii f o 2 s2 1 s1 R v R v R v 即整理得 2 2 f 1 1 f oss v R R v R R v 說(shuō)明：線性電路除可以采用“虛短、虛斷”概念外，還可采 用疊加原理進(jìn)行分析。 令vs2=0則 1 1 f o1s

6、 v R R v 令vs1=0則 2 2 f o2s v R R v 2o1oo vvv 例如 第7頁(yè)/共44頁(yè) 同相加法器 - + A R2 R f +- vs 1 v o R1 +- vs 2 R3 利用疊加原理： 21 2s1 21 1s2 RR vR RR vR v 則 v R R v)1 ( 3 f o )(1 ( 21 2s1 21 1s2 3 f RR vR RR vR R R 減法器 R f - + A R3 vs 1 v o R2 vs 2 R1 令vs2=0， 則 1 1 f o1s v R R v 令vs1=0， 32 23 1 f o2 )1 ( RR vR R R v

7、 s 2o1oo vvv 1 1 f s v R R 32 23 1 f )1 ( RR vR R R s 第8頁(yè)/共44頁(yè) t )( os d vd C R v 有源積分器 - + A R C +- vs v o 方法一：利用運(yùn)算法則 則 t o sdt v RC v 1 o 方法二：利用拉氏變換 )( )(Z )( )( s 1 f o sv s sZ sv)( 1 s sv sRC )( )/(1 s sv R sC 拉氏反變換得 t o sdt v RC v 1 o 第9頁(yè)/共44頁(yè) 有源微分器 利用拉氏變換： )( )(Z )( )( s 1 f o sv s sZ sv )( s

8、ssRCv )( )/(1 s sv sC R 拉氏反變換得 dt dv RCv s o - + A R C +- vs v o 波形變 換 t vs 0 輸入方波 積分輸出三角波 vo t 0 微分輸出尖脈沖 t vo 0 第10頁(yè)/共44頁(yè) 對(duì)數(shù)變換器 - + A R +- vs v o T BE e S s V v I R v 利用運(yùn)算法得：由于 oBE vv 整理得 RI v Vv S s To ln 缺點(diǎn)： vo受溫度影響大、動(dòng)態(tài)范圍小。 vs必須大于0。 第11頁(yè)/共44頁(yè) 改進(jìn)型對(duì)數(shù)變換器 - + A1 +- vs v o +- A2 VCC +- R L R 3 R 4 t o

9、 vB 2 R 2 R 5 T 1 T 2 R 1 iC2 iC1 由圖 1C C2 T 1C C2 TBE1BE2B2 lg3 . 2ln i i V i i Vvvv 由于 1sC1 / Rvi 2CC22BCCC2 / )(RVRvVi （很?。?則 )lg(3 . 2lg3 . 2 s CC1 2 T 2C C1 TB2 v VR R V i i Vv )lg()1 ( 3 . 2)1 ( sT 4 3 2B 4 3 o KvV R R v R R v （T1、T2特性相同） 利用R4補(bǔ)償VT ，改善溫度特性。 vS大范圍變化時(shí)， vO 變化很小。 第12頁(yè)/共44頁(yè) 反對(duì)數(shù)變換器 R

10、 v I V v o S T BE e 利用運(yùn)算法則得由于 sBE vv 整理得 T s So V v eRIv 缺點(diǎn)：vo受溫度影響大。vs必須小于0。 - + A R +- vs v o T 第13頁(yè)/共44頁(yè) vo1- + A 1 v X RX i X R1 i X T1 vo2 - + A 2 v Y RY i Y R2 iY T2 - + A 4 T4 iO v O R4iO - + A 3 R 3 vo3 T3 vZ RZ iZ iZ 因T1、T2、T3、T4 構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)， 則 OZYX iiii 分析方法一： 由圖 整理得 XXX / Rvi YYY / Rvi ZZZ /

11、Rvi 4OO / Rvi Z YX YX Z4 O v vv RR RR v （實(shí)現(xiàn)乘、除運(yùn)算） 第14頁(yè)/共44頁(yè) vo1- + A 1 v X RX i X R1 i X T1 vo2 - + A 2 v Y RY i Y R2 iY T2 - + A 4 T4 iO v O R4iO - + A 3 R 3 vo3 T3 vZ RZ iZ iZ 分析方法二： XS X TBE1o1 ln RI v Vvv Z YX YX Z4 v vv RR RR BE1 YS Y TBE1BE2o2 lnv RI v Vvvv ZS Z TBE3o3 ln RI v Vvv A1、A2、A3對(duì)數(shù)放大

12、器 A4反對(duì)數(shù)放大器 T o3o2 e 4SO V vv RIv 第15頁(yè)/共44頁(yè) q 精密半波整流電路 利用集成運(yùn)放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?，?gòu)成對(duì)微小幅值電壓進(jìn)行整流的電路。 vo - + A vI R1 vo R2 RL + - D1 D2 vI =0時(shí) vO =0 D1、D2 vO=0 vI 0時(shí) vO 0 D1、D2 vO=0 vI 0 D1、D2 vO= -(R2 / R1)vI 工作原理： vO vI -R2 / R1 傳輸特性 vI t vO t vI R2 R1 - 輸入正弦波 輸出半波 第16頁(yè)/共44頁(yè) q 精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路 當(dāng)v- 0，即 vI -(R3 / R1

13、)VR 時(shí)： 當(dāng)v- 0，即 vI 0 D1、D2 傳輸特性 vO vI -R2 / R3 VR R3 R1 - vO 0 D1、D2 vO=0 則 )( R 1 3 I 3 2 O V R R v R R v 則 第17頁(yè)/共44頁(yè) q 精密轉(zhuǎn)折點(diǎn)電路實(shí)現(xiàn)非線性的函數(shù) R/R1 vo1 - + A1 VR1Rr1 R D1 D2 R1 vI vo2 - + A2 VR2Rr2 R D3 D4 R2 R R - + A3 VR3Rr3 R D5 D6 R3 R vo3 - + A4v O R )( R1 1r 1 I 1 O1 V R R v R R v )( R2 2r 2 I 2 O2 V

14、 R R v R R v )( R3 3r 3 I 3 O3 V R R v R R v )( O3O2O1O3 vvvv R/R2 R/R3 vO vI vI1vI2vI3 傳輸特性 第18頁(yè)/共44頁(yè) 儀器放大器是用來(lái)放大微弱差值信號(hào)的高精度放大器。 特點(diǎn)：KCMR很高、 Ri 很大， Av 在很大范圍內(nèi)可調(diào)。 q 三運(yùn)放儀器放大器 vv 由 G 2I1I G R vv i 得 0i 由 )( G21G2o1o RRRivv 得 由減法器A3得： 2o 65 6 3 4 1o 3 4 o )1 (v RR R R R v R R v 若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6

15、 整理得 ) 2 1 ( G3 4 2I1I o f R R R R vv v Av vI 1 + - A1 R1 - + A2 R G vo1 v O vI 2 - + A3 R2 R3R4 R5R6 iG vo2 第19頁(yè)/共44頁(yè) q 有源反饋儀器放大器 可證明 G S 4 43 2I1I o f R R R RR vv v Av vI 1 + - A3 R1 - + A1 R G v O IO + - A2 R2 R3 VC C R5 R6 iG vI 2 R S VE E iS IO R4 T1T2 T3T4 T1、T2差放 T3、T4差放 A3跟隨器 A2跟隨器 A1放大器 采用嚴(yán)

16、格配對(duì)的低噪聲對(duì)管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。 第20頁(yè)/共44頁(yè) q 儀器放大器的應(yīng)用 儀器放大器單片集成產(chǎn)品： LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。 例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器 溫度為規(guī)定值時(shí) RT =R 路橋平衡 vo =0 。 溫度變化時(shí) RT R 路橋不平衡 vo 產(chǎn)生變化。 儀器 放大 器 R G RT R R Rt o VREF vo 第21頁(yè)/共44頁(yè) 電流傳輸器：通用集成器件，廣泛用于模擬信號(hào)處理電路中。 q 電流傳輸器電路符號(hào)及特點(diǎn) Y X Z CC vX vY vZ iY=0 iX iZ Y輸入端： iY=

17、0，即 RY ； X輸入端： vX = vY ，且vX與 iX 大小無(wú)關(guān)，RX0 ； Z輸出端： iZ = iX ，且 iZ 與 vZ大小無(wú)關(guān)； 第22頁(yè)/共44頁(yè) q 電流傳輸器構(gòu)成的模擬信號(hào)處理電路 Y X Z CC vi RL iX iO R +- 互導(dǎo)放大器 互阻放大器 電流放大器 iYX vvv Rvii/ XXo RviA/1/ iog Y X Z CC is RL iX iO R2 R1 1SYX Rivv 2XXo / Rvii 21Soi /RRiiA Y X Z CC1 ii R vo iZ1 RL Y X CC2Z +- i1Z iiRivv 1Z2Yo RivA ior

18、 / 第23頁(yè)/共44頁(yè) 負(fù)阻變換器 Y X Z CC2 iX1 R2 Y X CC1Z vi iI iZ2 R1 iZ1 RL 21X1Xi Rivv 1 2Y 2Zi R v ii L1XL1Z2Y RiRiv L 21 i i i R RR i v R 第24頁(yè)/共44頁(yè) Avd高(80140dB)， Rid高(M)， Rod低 (100M) 共模特性 輸入直流誤差特性 IIB(10100A)， VIO (mV)， IIO(為IIB的5% 10%) 大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)換速率SR， 全功率帶寬BWP 第25頁(yè)/共44頁(yè) q Avd、Rid、Rod為有限值的影響 運(yùn)放應(yīng)用場(chǎng)合不同，各項(xiàng)性能參數(shù)

19、影響也不同。因此工程估算時(shí)，可針對(duì)不同場(chǎng)合，有選擇地分析運(yùn)算誤差。 )1 ( dL1 fod ff v vv ARR RR AA - + A R1 R f +- v s v o RL vid Rid vO +- v- Avd vid - + Rod + - R1 R f v s +- RL 可證明 其中 idf11 /RRRR odfLL /RRRR 1ff / RRAv Avd對(duì)精度影響最大。Avd越大，運(yùn)算誤差越小。 第26頁(yè)/共44頁(yè) q KCMR、Ric為有限值的影響 - + A R1 R f +- v s v o RL 可證明 其中 Avd、KCMR越大，同相放大器運(yùn)算精度越高。 由

20、于同相放大器輸入端引入了共模信號(hào)，因此必須考慮KCMR的影響。 Ric vO + - v- Avd vid Rod+ - R1 R f v s RL v+ Ric Rid + - Avd vic KCMR ) 1 1 ( /1 CMRdf f f KAA A A vv v v 1ff /1RRAv 第27頁(yè)/共44頁(yè) q 輸入偏置電流IIB對(duì)性能的影響 - + A R1 R f +- v s v o R+= R1/ Rf 則IIB在外電路反相端產(chǎn)生的直流電壓: 則IIB在外電路同相端產(chǎn)生的直流電壓: RIV IB RIV IB 設(shè)R-、R+ 分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻。 2/

21、)( B2B1IB III 輸入偏置電流 RR 若則 0 id v 輸出無(wú)失調(diào) 例： 注：平衡電阻R+的接入對(duì)性能指標(biāo)計(jì)算沒(méi)有影響，但運(yùn)算精度得到明顯改善。 因此，為減小IIB對(duì)運(yùn)算精度的影響，要求外接在集成運(yùn)放兩輸入端的直流電阻相等。 第28頁(yè)/共44頁(yè) q 失調(diào)電流IIO與失調(diào)電壓VIO的影響 vO + - R1 R f RL IIB IIB IIO 2 IIO 2 + - VIO R+ )(1 ( IOIO 1 f o RIV R R v 可證明 為減小失調(diào)的影響： 在R+較小時(shí)，應(yīng)選擇VIO小的運(yùn)放； 在R+較大時(shí)，應(yīng)選擇 IIO小的運(yùn)放。 第29頁(yè)/共44頁(yè) q 小信號(hào)頻率參數(shù) 開(kāi)環(huán)

22、帶寬BW 內(nèi)補(bǔ)償?shù)募蛇\(yùn)放可近似看成是單極點(diǎn)系統(tǒng)，該運(yùn)放的上限截止頻率即開(kāi)環(huán)帶寬BW（或稱3dB帶寬）。 單位增益帶寬BWG 指增益下降到1（0dB）時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。小信號(hào)工作時(shí)，其值為常數(shù)，且BWG = AvdIBW 。 當(dāng)運(yùn)放閉環(huán)工作時(shí)，BWG等于反饋電路的增益帶寬積。 反饋越深，Avf 越小，閉環(huán)帶寬BWf 越寬。 即 BWG = AvfBWf 第30頁(yè)/共44頁(yè) q 大信號(hào)動(dòng)態(tài)參數(shù) 指集成運(yùn)放輸出電壓隨時(shí)間最大可能的變化速率。其值越大，運(yùn)放高頻性能越好。 影響SR主要原因：運(yùn)放內(nèi)部存在寄生電容和相位補(bǔ)償電容。 轉(zhuǎn)換速率（又稱壓擺率） max o R )( dt tdv S 指集成運(yùn)放輸出

23、最大不失真峰值電壓時(shí)，允許的最高工作頻率。 全功率帶寬 ommax R P 2V S BW 當(dāng)SR一定時(shí)，最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比。工作頻率越高，不失真輸出的Vom就越小。 第31頁(yè)/共44頁(yè) 電壓比較器的作用 比較兩輸入信號(hào)大小，并以輸出高、低電平來(lái)指示。 電壓比較器的特點(diǎn) 輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。 電壓比較器工作原理 只要開(kāi)環(huán)Avd很大，則v+、v-間的微小差值，即可使運(yùn)放輸出工作在飽和狀態(tài)。 由 )( do vvAv v 可知 v + v - 時(shí)， vo=Vomax（正飽和值） v + v - 時(shí)， vo=Vomin （負(fù)飽和值） v + = v -

24、 時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 因此 第32頁(yè)/共44頁(yè) 理想比較特性 - + A v o vI VREF vI vo VRE F Voma x Vomi n 0 vI VREF 時(shí)， vo=Vomin vI = VREF 時(shí)，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 理想特性 vI vo VRE F Voma x Vomi n 0 實(shí)際比較特性 實(shí)際特性 vI VREF -Vomin /Avd 時(shí)， vo=Vomin 注：Avd 越大，比較特性越接近理想特性， VREF作為 門限值的比較精度越高。 第33頁(yè)/共44頁(yè) q 單限電壓比較器 特點(diǎn)：運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作。 過(guò)零比較器 - + A v o vI + - R1 D1 D2 R R

25、（VREF =0） R1限流電阻，與D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。 VOH = VZ + VD(on) VOL= -( VZ + VD(on) ) vI vo VOH VOL 0 比較特性 t vO 0 t vI 0 第34頁(yè)/共44頁(yè) 單限比較器 - + A v o vI + - R3 D1 D2 R1/R2 VREF R 1 R2 i1 i2 分析方法： 1）令v-= v+求出的輸入電壓vI 即門限電平。 2）分別分析vI大于門限、小于門限時(shí)的輸出vO電平。 0 REF 21 2 I 21 1 V RR R v RR R 令得門限電平 REF 1 2 I V R R v 即v+ v- 若

26、 REF 1 2 I V R R v 則vO = VOH 比較特性 vI vo VOH VOL VREF R2 R1 - 第35頁(yè)/共44頁(yè) 單限比較器優(yōu)點(diǎn)： 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可不計(jì)有限KCMR的影響。 單限比較器缺點(diǎn)： 電路抗干擾能力差。 例如：過(guò)零比較器，當(dāng)門限電平附近出現(xiàn)干擾信 號(hào)時(shí)，輸出會(huì)出現(xiàn)誤操作。 t vO 0 vI t 0 第36頁(yè)/共44頁(yè) q 遲滯比較器（施密特觸發(fā)器） - + A v o vI + - R3 D1 D 2 R VREF R1 R2 特 點(diǎn) 正反饋電路。 具有雙門限。 REF 21 1 O 21 2 I V RR R v RR R v 令 得門限電平： REF

27、21 1 OH 21 2 IH V RR R V RR R v REF 21 1 OL 21 2 IL V RR R V RR R v 反相輸入遲滯比較器 )( OLOH 21 2 ILIH VV RR R VVV 遲滯寬度： vI vo VOH 0 比較特性 VOL VILVIH 第37頁(yè)/共44頁(yè) - + A v o vI + - R3 D1 D 2 R VREF R1 R2 I 21 1 O 21 2 REF v RR R v RR R V 令 得門限電平： 同相輸入遲滯比較器 遲滯寬度： vI vo VOH 0 比較特性 VOL VILVIH 將反相遲滯比較器中的vI與VREF交換，即得同相輸入遲滯比較器。 OL 1 2 REF 1 2 IH )1 (V R R V R R V OH 1 2 REF 1 2 IL )1 (V R R V R R V )( OLOH 1 2 ILIH VV R R