運(yùn)算放大器及運(yùn)算放大器的選擇應(yīng)用

1、1集成運(yùn)算放大器理論及其應(yīng)用2l信號的一般處理框架l運(yùn)放的基本理論l運(yùn)放的參數(shù)l理想運(yùn)放及其分析方法l運(yùn)放的應(yīng)用電路l運(yùn)算放大器的選擇l運(yùn)放的穩(wěn)定工作3信號的一般處理流程4運(yùn)算放大器簡介運(yùn)算放大器的內(nèi)部框圖：輸入級中間級輸出級偏置電路IN-IN+Vout5運(yùn)算放大器簡介l輸入級：采用差動放大電路，決定整個運(yùn)放的輸入阻抗、共模抑制比、零點(diǎn)漂移、信噪比及頻率響應(yīng)等；l中間級：采用放大電路，主要作用是提高運(yùn)放的電壓增益l輸出級：采用射極輸出器電路，決定運(yùn)放的輸出阻抗和輸出功率；l偏置電路：采用不同形式的電流源電路，為各級提供小而穩(wěn)定的偏置電流。6運(yùn)算放大器的分類l按用途分類：a.通用型運(yùn)放:一般的，

2、大規(guī)模使用，價格便宜。 通用型運(yùn)放又分為低增益、中增益和高增益三類，也可稱為通用型、通用型和通用型集成運(yùn)放。 7運(yùn)算放大器的分類 b.專用型運(yùn)放，也成特殊型運(yùn)放：某一方面性能參數(shù)優(yōu)良。 專用型運(yùn)放又分為低功耗型、高輸入阻抗型、高速型（SR高）、高壓型、電流型、大功率型、跨導(dǎo)型及程控型等。8運(yùn)算放大器的分類l按集成個數(shù)分：單運(yùn)放、雙運(yùn)放及四運(yùn)放。9實際運(yùn)放的參數(shù)-直流參數(shù)、交流參數(shù)l直流指標(biāo)：輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電壓溫漂）、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電流溫漂）、差模開環(huán)直流電壓增益、共模抑制比、電源電壓抑制比、輸出峰-峰值電壓、

3、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓。 l交流指標(biāo)：開環(huán)帶寬、單位增益帶寬、轉(zhuǎn)換速率SR、全功率帶寬、建立時間、等效輸入噪聲電壓、差模輸入阻抗、共模輸入阻抗、輸出阻抗。10實際運(yùn)放的參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓（VIO）：輸入失調(diào)電壓，簡稱VIO，其定義是為使運(yùn)算放大器輸出端為0V(或接近0V)所需加于兩輸入端間之補(bǔ)償電壓。理想之運(yùn)算放大器其VIO為0V，一般為毫伏級，此參數(shù)越小越好。反應(yīng)了運(yùn)放制造中電路的對稱情況。2.輸入偏置電流（IIB）：偏置電流 （bias current） 就是第一級放大器輸入晶體管的基極直流電流的平均值。此參數(shù)越小越好。11實際運(yùn)放的參數(shù)3.輸入失調(diào)電流（IIO）：輸入失調(diào)電

4、流（input offset current）兩輸入端輸入偏置電流之差的絕對值。該值也是越小越好。4.差模輸入電阻（RIN）：輸入電阻（input resistance ）兩輸入端間差動輸入電阻。該值是越大越好。5.差模電壓增益差模電壓增益（AVD）：也稱為差動電壓增益，是指輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量的比值,即電壓放大倍數(shù)。理想放大器的AV無限大，實際運(yùn)放一般大于80dB。12實際運(yùn)放的參數(shù)6.共模電壓增益（AVC）：兩輸入端輸入差模電壓，輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量之比。7.最大輸出電壓最大輸出電壓（VOM）：對于實際運(yùn)算放大器，若振幅變大，則輸出信號接近正、負(fù)電源電壓進(jìn)入飽和狀態(tài)

5、，出現(xiàn)失真。在出現(xiàn)失真之前的最大電壓稱為最大輸出電壓。8.共模輸入電壓范圍（VICM）：這表示運(yùn)算放大器兩輸入端與地之間能加的共模電壓的范圍。13實際運(yùn)放的參數(shù)9.共模抑制比（KCMR）：差模電壓增益AVD與共模電壓增益AVC之比稱為共模抑制比?？梢员硎緸镵CMR=20lg（AVD/AVC）dB。此值越大越好，但是會隨著信號的頻率升高而下降，一般都大于80dB。10.電源電壓抑制比（KSVR）：運(yùn)放的失調(diào)電壓隨電源的變化率稱為電源電壓抑制比。即輸出信號受電源電壓的影響程度。若電源變化VS時失調(diào)電壓變化量為VIo，則KSVR定義為：KSVR=20lg（VS/VIo）dB。此值越大越好，較小時輸出

6、中出現(xiàn)電源噪聲。14實際運(yùn)放的參數(shù)11.消耗電流（ICC）：這是運(yùn)算放大器電源端流通用的電流，隨外加電路與電源電壓的不同而變化。消耗電流越小越好，較大時放大器發(fā)熱增加引起輸出直流漂移增大。12.轉(zhuǎn)換速率（轉(zhuǎn)換速率（SR）：若輸入信號變化塊，則輸出跟不上輸入的變化速度。SR是表示這種跟蹤性能的參數(shù)。該值越大越好，但是該值高的運(yùn)算放大器其他性能較差。13.增益帶寬乘積增益帶寬乘積（GB）：表示電壓增益頻率特性的參數(shù)，單位為MHZ。（單位增益帶寬）。15實際運(yùn)放的參數(shù)16還應(yīng)當(dāng)注意的一些參數(shù)最高電源電壓、功耗、工作溫度、引線溫度、輸出電阻、建立時間等。17理想運(yùn)算放大器-理論分析理想運(yùn)算放大器的主要

7、特點(diǎn): (1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)A為無限大。（線性區(qū)虛短）(2)輸入電阻Ri為無限大。（虛斷）(3)輸出電阻Ro為零。18理想運(yùn)放的分析方法l線性區(qū)-工作在閉環(huán)負(fù)反饋狀態(tài) 虛短 虛斷l(xiāng)飽和區(qū)-工作在開環(huán)、正反饋狀態(tài) 虛斷 比較輸出： uuuu OOmaxuU OOminuU 19反饋反饋：把輸出信號的一部分或全部以一定的方式送回輸入電路中，以增強(qiáng)或減弱輸入信號的效應(yīng)。理想運(yùn)放的放大倍數(shù)為無窮大，實際運(yùn)放的放大倍數(shù)也很大，利用負(fù)反饋可以控制放大器的放大倍數(shù)，提高增益精度，避免放大倍數(shù)過大造成失真。同時引入負(fù)反饋還可以降低噪聲、失真、輸出阻抗，增大輸入阻抗。20運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路l放大電路l有

8、源濾波器l微積分電路l電壓跟隨器l電壓電流轉(zhuǎn)換電路l加減運(yùn)算電路l比較器電路l其他電路 21由運(yùn)算放大器組成的一些基本電路電路類型V1V2ZGZFZ1Z2反相放大器輸入信號GND由增益決定由增益決定開路ZG/ZF同相放大器GND輸入信號由增益決定由增益決定ZG/ZF開路反相積分器輸入信號GNDRGCG開路ZG/ZF緩沖器GND輸入信號開路短路短路開路差分放大器輸入信號-輸入信號+RGRFRGRF22電路中電阻的選擇阻值小的電阻可以通過較大的電流，具有良好的頻率特性以及可以驅(qū)動放大器；但是阻值過小會增大電路的功率，減小輸出動態(tài)范圍 。 大阻值電阻會帶來更多的噪聲以及干擾漂移電流。選擇時應(yīng)折中選擇

9、（1K1000K）。23放大電路-比例放大放大電路的種類很多，主要分為反相放大電路和同相放大電路。反相放大電路：信號由“-”端輸入，放大后的信號相位與放大前相差180度。24放大電路使用上述電路做放大器電路時，如果放大倍數(shù)很大，則R1的值非常大。有時實裝與得到這種電阻都很困難，這時可以采用T型反饋電路，可有效降低R1的阻值。T型反饋電路25運(yùn)算放大器組成的放大電路同相放大電路：信號由“+”端輸入，輸出信號與輸入信號相位相同。同相放大電路26同相放大電路與反相放大電路的區(qū)別同相放大器：輸入阻抗很大，但輸入共模電壓也大，共模抑制比CMRR引起的誤差在高頻時不可忽略。 反相放大器：輸入阻抗由輸入端的

10、外界電阻決定，共模電壓小，可以減小共模抑制比CMRR引起的誤差。27積分電路積分運(yùn)算電路 ：與反相放大電路相比，用電容C代替電阻Rf作為負(fù)反饋元件就成為積分運(yùn)算電路。容易得出，Uo = 1/(RC)Ui dt， 其中RC為積分時間常數(shù)。28微分電路將積分運(yùn)算電路中的反相端輸入電阻和反饋電容互相交換位置后即為微分運(yùn)算電路。微分電路對高頻干擾敏感。 29微積分電路的應(yīng)用微分電路：微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波。1.提取脈沖前沿（反應(yīng)突變） 2.高通濾波 3.改變相角（加） 積分電路：積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。1.延遲、定時、時鐘 2.低通濾波 3.改變

11、相角（減） 30有源濾波器有源濾波器的原理：有源濾波器利用運(yùn)算放大器和電阻代替電感，從而實現(xiàn)濾波效果。運(yùn)算放大器在這里的作用是不斷給電路補(bǔ)充電阻消耗的能量。有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不用電感元件、有一定增益、重量輕、體積小和調(diào)試方便，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面。缺點(diǎn)：但因受運(yùn)算放大器的頻帶限制，這類濾波器只能工作在低頻。31有源濾波電路的分類有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無源元件而構(gòu)成的。主要分為： 低通濾波器（LPF） 高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（BEF） 全通濾波器（APF）32濾波器的

12、主要技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計方法中心頻率（Center Frequency）：濾波器通帶的中心頻率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點(diǎn)。截止頻率（Cutoff Frequency）：指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn)及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)。通常以1dB或3dB相對損耗點(diǎn)來標(biāo)準(zhǔn)定義。通帶帶寬：指可以通過的信號的頻譜寬度。 33一階低通濾波器fZ21/jRC 221Rj R C (j )uA oiUU f1ZR 21211 jRRRC of2i1121j1juUZRA ()URRR C 0f01jA 0f01jAff 34典型二階有源低通濾波器如右

13、下圖所示，為防止自激和抑制尖峰脈沖，在負(fù)反饋回路可增加電容 C3，C3的容量一般為22pF51pF。該濾波器每節(jié)RC電路衰減20dB10倍頻程，每級濾波器40dB10倍頻程。C C1 1C C2 2C C3 3R R1 1R R2 2R Ra aA AV VO OV Vi iR Rb b二階有源二階有源LPF的設(shè)計的設(shè)計351VbfaRAR12121nR R C C121221211()(1)VfRR CCQC RRARC222()VnfnnAAsssQ通帶增益：固有角頻率：品質(zhì)因數(shù)：傳遞函數(shù)的關(guān)系式為：36 設(shè)計方法：性能參數(shù)可以由R、C值和運(yùn)放增益Auf的變化來單獨(dú)調(diào)整，設(shè)Avf=1，R1

14、=R2，則Ra= ，1212CQC1212nfRC C12nQCR212nCQR2124CnQC（n為階數(shù)） C1C1C2C2C3C3R1R1R2R2RaRaA AV VO OV Vi iRbRb37電壓跟隨器定義：電壓跟隨器，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)接近1。特點(diǎn)：輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 。 38作用：在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電

15、阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。39電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 電壓電流轉(zhuǎn)換電路： 電壓/電流轉(zhuǎn)換即V/I轉(zhuǎn)換，是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號，轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)一個輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會隨負(fù)載的變化而變化。 應(yīng)用：長距離傳送模擬電壓信號時，因信號源內(nèi)阻及電纜電阻產(chǎn)生壓降，受信端輸入阻抗越低相對壓降越大，誤差也越大。若要高精度傳送電壓信號，必須把電壓信號先變?yōu)殡娏餍盘?，即進(jìn)行電流傳送.。40如圖所示為實用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。A1構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，A2構(gòu)成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R?？傻玫剑篒o=UI/R

16、o41 將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號。應(yīng)用：在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號420mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成10V；的電壓信號，以便送給各類設(shè)備進(jìn)行處理。如圖所示為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。在理想運(yùn)放條件下，輸入電阻Ri=0，因 而iF=iS，故輸出電壓 Uo=-IsRfRs比Ri大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路42全加器fffOI11I12I111121nnRRRuuuuRRR fffI21I22I221222mmRRRuuuRRR fI111njjjRuR fI212mRuR 43比較器電路電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高。44

17、輸出只有兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)：輸出只有兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)： 高電平輸出高電平輸出 ；OmaxU低電平輸出低電平輸出 。OminU單限比較器單限比較器IRuUOOmaxuU參考電平參考電平IRuUOOminuU45比較器電路遲滯比較器：若電路加上正反饋則電路具有遲滯特性，也稱為施密特觸發(fā)器。46一、波形變換施密特觸發(fā)器可用以將模擬信號波形轉(zhuǎn)換成矩形波,正弦波信號同相轉(zhuǎn)換成矩形波的例子,輸出脈沖寬度可通過回差電壓加以調(diào)節(jié)。比較器電路47二、用于脈沖的整形利用施密特電路可以將失真的數(shù)字信號還原，消除電路帶來的失真。48三、幅度鑒別施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)取決于輸入信號是否高于V+或低于V-，利用此特性可以構(gòu)成幅

18、度鑒別器，用以從一串脈沖中檢出符合幅度要求的脈沖。49PWM調(diào)制電路：占空比D=Vin（max）/VrefVref50信號發(fā)生器l正弦波信號發(fā)生器12RR C R 12CC 012fRC振蕩頻率振蕩頻率51信號發(fā)生器l方波發(fā)生器T12TT 12T 1222ln(1)RRCR 52運(yùn)算放大器的選擇1.通用運(yùn)算放大器：能適用大多數(shù)場合，但是滿足不了一些特殊場合的要求。2.緩沖放大器：要求有非常高的輸入阻抗和非常低的輸出阻抗。3差?；虿罘址糯笃鳎翰钅７糯箅娐酚型獠侩娮韬碗娙?，所以它們的輸入阻抗不高。但是能有效地抑制共模噪聲。當(dāng)信號電路的輸出電阻與差模電路的輸入電阻相當(dāng)時差模放大電路不再適用。53運(yùn)算

19、放大器的選擇4.儀表測量放大器：儀表放大器具有非常高的輸入阻抗以及高的共模抑制比，不存在電阻匹配問題。儀表放大器AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)54運(yùn)算放大器的選擇5.電流反饋型放大器（CFA）特點(diǎn)：有很寬的帶寬，能達(dá)到GHz。（VFA最高頻率一般只能達(dá)到400MHz）缺點(diǎn)：輸入阻抗低，最大電壓擺低，性能不穩(wěn)定，對寄生電容敏感。55運(yùn)算放大器的選擇6.功率放大器（PA）：當(dāng)一個運(yùn)放輸出一定電壓，并提供超過幾百毫安的驅(qū)動電流的時候，就要考慮使用PA。7.音頻放大器：特殊的功率放大器。56如何讓電路穩(wěn)定工作自激振蕩：如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩 ?；痉糯箅娐繁仨氂啥嗉壏糯箅娐窐?gòu)成，以實現(xiàn)很高的開環(huán)放大倍數(shù)，然而在多級放大電路的級間加負(fù)反饋，信號的相位移動可能使負(fù)反饋放大電路工作不