[教育]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,,2,,信號(hào)的一般處理框架運(yùn)放的基本理論運(yùn)放的參數(shù)理想運(yùn)放及其分析方法運(yùn)放的應(yīng)用電路運(yùn)算放大器的選擇運(yùn)放的穩(wěn)定工作,3,信號(hào)的一般處理流程,4,運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介,運(yùn)算放大器的內(nèi)部框圖：,5,運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介,輸入級(jí)：采用差動(dòng)放大電路，決定整個(gè)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；中間級(jí)：采用放大電路，主要作用是提高運(yùn)放的電壓增益輸出級(jí)：采用射極輸出器電路，決定運(yùn)放的輸出阻抗

2、和輸出功率；偏置電路：采用不同形式的電流源電路，為各級(jí)提供小而穩(wěn)定的偏置電流。,6,運(yùn)算放大器的分類,按用途分類：a.通用型運(yùn)放:一般的，大規(guī)模使用，價(jià)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Ⅰ型、通用Ⅱ型和通用Ⅲ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

3、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,按集成個(gè)數(shù)分：?jiǎn)芜\(yùn)放、雙運(yùn)放及四運(yùn)放。,9,實(shí)際運(yùn)放的參數(shù)---直流參數(shù)、交流參數(shù),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(jiǎn)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(jiǎn)稱輸入失調(diào)電流溫漂）、差模開(kāi)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、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓。 交流指標(biāo)：開(kāi)環(huán)帶寬、單位增益帶寬、轉(zhuǎn)

4、換速率SR、全功率帶寬、建立時(shí)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(shí)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(jiǎn)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(jí)，此參數(shù)越小越好。反應(yīng)了運(yùn)放制造中電路的對(duì)稱情況。2.輸入偏置電流（IIB）：偏置電流 （bias current） 就是第一級(jí)放大器輸入晶體管的基

5、極直流電流的平均值。此參數(shù)越小越好。,11,實(shí)際運(yùn)放的參數(shù),3.輸入失調(diào)電流（IIO）：輸入失調(diào)電流（input offset current）兩輸入端輸入偏置電流之差的絕對(duì)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(dòng)輸入電阻。該值是越大越好。5.差模電壓增益（AVD）：也稱為差動(dòng)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)

6、。理想放大器的AV無(wú)限大，實(shí)際運(yùn)放一般大于80dB。,12,實(shí)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（VOM）：對(duì)于實(shí)際運(yùn)算放大器，若振幅變大，則輸出信號(hào)接近正、負(fù)電源電壓進(jìn)入飽和狀態(tài)，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(shí)際運(yùn)放的參數(shù),9.共

7、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(huì)隨著信號(hào)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(hào)受電源電壓的影響程度。若電源變化△VS時(shí)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(shí)

8、輸出中出現(xiàn)電源噪聲。,14,實(shí)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(shí)放大器發(fā)熱增加引起輸出直流漂移增大。12.轉(zhuǎn)換速率（SR）：若輸入信號(hào)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（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）

9、。,15,實(shí)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(shí)間等。,17,理想運(yùn)算放大器---理論分析,理想運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn): (1)開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)A為無(wú)限大。（線性區(qū)虛短）(2)輸入電阻Ri為無(wú)限大。（虛斷）(3)輸出電阻Ro為零。,18,理想運(yùn)放的分析方法,線性區(qū)---工作在閉環(huán)負(fù)反饋狀態(tài) 虛短 虛斷飽和區(qū)----工作在開(kāi)環(huán)、正反饋狀態(tài) 虛斷

10、比較輸出：,19,反饋,反饋：把輸出信號(hào)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(hào)的效應(yīng)。理想運(yùn)放的放大倍數(shù)為無(wú)窮大，實(shí)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(guò)大造成失真。同時(shí)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,放大電路有源濾波器微積分電路電壓跟隨器電壓—電流轉(zhuǎn)換電路加減運(yùn)算電路比較器電路其

11、他電路,21,由運(yùn)算放大器組成的一些基本電路,22,電路中電阻的選擇,阻值小的電阻可以通過(guò)較大的電流，具有良好的頻率特性以及可以驅(qū)動(dòng)放大器；但是阻值過(guò)小會(huì)增大電路的功率，減小輸出動(dòng)態(tài)范圍 。 大阻值電阻會(huì)帶來(lái)更多的噪聲以及干擾漂移電流。選擇時(shí)應(yīng)折中選擇（1K~1000K）。,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。①反相放大電路：信號(hào)由“-”端輸入，放大后的信號(hào)相位與放大前

12、相差180度。,24,放大電路,使用上述電路做放大器電路時(shí)，如果放大倍數(shù)很大，則R1的值非常大。有時(shí)實(shí)裝與得到這種電阻都很困難，這時(shí)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,②同相放大電路：信號(hào)由“+”端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)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(shí)不可忽略。

13、 反相放大器：輸入阻抗由輸入端的外界電阻決定，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(shí)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(duì)高頻干擾敏感。,29,微積分電路的應(yīng)用,微

14、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(shí)、時(shí)鐘 2.低通濾波 3.改變相角（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(shí)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

15、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(shí)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(wú)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（B

16、EF） 全通濾波器（APF）,32,濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)損耗點(diǎn)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)定義。通帶帶寬：指可以通過(guò)的信號(hào)的頻譜寬度。,

17、33,一階低通濾波器,34,典型二階有源低通濾波器如右下圖所示，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22pF－51pF。該濾波器每節(jié)RC電路衰減－20dB／10倍頻程，每級(jí)濾波器－40dB／10倍頻程。,二階有源LPF的設(shè)計(jì),35,,,,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(jì)方法：性能參數(shù)可以由R、C值和運(yùn)放增益Auf的變化來(lái)單獨(dú)調(diào)整，設(shè)Avf=1，R1=R2，則Ra

18、= ，,,,,,（n為階數(shù)）,37,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(lái)說(shuō)，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(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)?，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(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相

19、當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)一個(gè)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(huì)隨負(fù)載的變化而變化。 應(yīng)用：長(zhǎng)距離傳送模擬電壓信號(hào)時(shí)，因信號(hào)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(duì)壓降越大，誤差也越大。若

20、要高精度傳送電壓信號(hào)，必須把電壓信號(hào)先變?yōu)殡娏餍盘?hào)，即進(jìn)行電流傳送.。,40,如圖所示為實(shí)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/Ro,41,將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號(hào)。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(hào)4~20mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成±10V；的電壓信號(hào)，以便送給各類設(shè)備進(jìn)行處理。如圖所示為電流-

21、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=-Is·RfRs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,43,比較器電路,電壓比較器是對(duì)兩個(gè)模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個(gè)電壓高。,44,輸出只有兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)：,高電平輸出 ；,低電平輸出 。,單限比較器,,參考電平,,,45,比較器電路,遲滯比較器：若電路加上正

22、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(hào)波形轉(zhuǎn)換成矩形波,正弦波信號(hào)同相轉(zhuǎn)換成矩形波的例子,輸出脈沖寬度可通過(guò)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(hào)還原，消除電路帶來(lái)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(hào)是否高于V+或低于V-，利用此特性可以構(gòu)成幅度鑒別器，用以從一串脈沖中檢出符合幅度要求的脈

23、沖。,49,PWM調(diào)制電路：,占空比D=Vin（max）/Vref,Vref,50,信號(hào)發(fā)生器,正弦波信號(hào)發(fā)生器,振蕩頻率,51,信號(hào)發(fā)生器,方波發(fā)生器,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(chǎng)合，但是滿足不了一些特殊場(chǎng)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(hào)電路的輸出電阻與差模電

24、路的輸入電阻相當(dāng)時(shí)差模放大電路不再適用。,53,運(yùn)算放大器的選擇,4.儀表測(cè)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(wèn)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(duì)寄生電容敏感。,55,運(yùn)算放大器的選擇,6.功率放大器（PA）：

25、當(dāng)一個(gè)運(yùn)放輸出一定電壓，并提供超過(guò)幾百毫安的驅(qū)動(dòng)電流的時(shí)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(hào)，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號(hào)，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩 ?；痉糯箅娐繁仨氂啥嗉?jí)放大電路構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)很高的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，然而在多級(jí)放大電路的級(jí)間加負(fù)反饋，信號(hào)的相位移動(dòng)可能使負(fù)反饋放大電路工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激振蕩。負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自己振蕩的

26、根本原因是AF（環(huán)路放大倍數(shù)）附加相移。而這種相移主要是由寄生電容和負(fù)載電容引起的。,57,如何讓電路穩(wěn)定工作,相位補(bǔ)償技術(shù) ： 加入校正網(wǎng)絡(luò)，破壞自激條件。其基本思想是設(shè)法拉開(kāi)開(kāi)環(huán)增益函數(shù)第一個(gè)極點(diǎn)頻率和第二個(gè)極點(diǎn)頻率之間的頻率間隔。,58,如何讓電路穩(wěn)定工作,電容滯后補(bǔ)償,若 的幅頻特性在0dB以上只有一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率（拐點(diǎn)），且下降斜率為–20dB/十倍頻，則屬于只有一個(gè)RC回路的頻率響應(yīng)，最大相移不超

27、過(guò)–90°。若在它的第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率（拐點(diǎn)）處對(duì)應(yīng)的 ，且此處的最大相移為–135° (有45°的相位裕度)，這樣的負(fù)反饋放大電路是穩(wěn)定的，因此電容滯后補(bǔ)償即按此思路進(jìn)行。,59,如何讓電路穩(wěn)定工作,根據(jù)以上分析，可以實(shí)現(xiàn)的方法是將 減小。而實(shí)現(xiàn) 減小的方法就是在第一級(jí)放大之后加一個(gè)電容，即滯后補(bǔ)償。,60,如何讓電路穩(wěn)定工作,未加電容前：,加上電容后：,只要選擇