运算放大器及运算放大器的选择应用.ppt

集成运算放大器理论及其应用,信号的一般处理框架运放的基本理论运放的参数理想运放及其分析方法运放的应用电路运算放大器的选择运放的稳定工作,信号的一般处理流程,运算放大器简介,运算放大器的内部框图：,运算放大器简介,输入级：采用差动放大电路，决定整个运放的输入阻抗、共模抑制比、零点漂移、信噪比及频率响应等；中间级：采用放大电路，主要作用是提高运放的电压增益输出级：采用射极输出器电路，决定运放的输出阻抗和输出功率；偏置电路：采用不同形式的电流源电路，为各级提供小而稳定的偏置电流。,运算放大器的分类,按用途分类：a.通用型运放:一般的，大规模使用，价格便宜。通用型运放又分为低增益、中增益和高增益三类，也可称为通用型、通用型和通用型集成运放。,运算放大器的分类,b.专用型运放，也成特殊型运放：某一方面性能参数优良。专用型运放又分为低功耗型、高输入阻抗型、高速型（SR高）、高压型、电流型、大功率型、跨导型及程控型等。,运算放大器的分类,按集成个数分：单运放、双运放及四运放。,实际运放的参数-直流参数、交流参数,直流指标：输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。交流指标：开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。,实际运放的参数,1.输入失调电压（VIO）：输入失调电压，简称VIO，其定义是为使运算放大器输出端为0V(或接近0V)所需加于两输入端间之补偿电压。理想之运算放大器其VIO为0V，一般为毫伏级，此参数越小越好。反应了运放制造中电路的对称情况。2.输入偏置电流（IIB）：偏置电流（bias current）就是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流的平均值。此参数越小越好。,实际运放的参数,3.输入失调电流（IIO）：输入失调电流（inputoffsetcurrent）两输入端输入偏置电流之差的绝对值。该值也是越小越好。4.差模输入电阻（RIN）：输入电阻（input resistance）两输入端间差动输入电阻。该值是越大越好。5.差模电压增益（AVD）：也称为差动电压增益，是指输出电压的变化量与输入电压变化量的比值,即电压放大倍数。理想放大器的AV无限大，实际运放一般大于80dB。,实际运放的参数,6.共模电压增益（AVC）：两输入端输入差模电压，输出电压的变化量与输入电压变化量之比。7.最大输出电压（VOM）：对于实际运算放大器，若振幅变大，则输出信号接近正、负电源电压进入饱和状态，出现失真。在出现失真之前的最大电压称为最大输出电压。8.共模输入电压范围（VICM）：这表示运算放大器两输入端与地之间能加的共模电压的范围。,实际运放的参数,9.共模抑制比（KCMR）：差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比称为共模抑制比。可以表示为KCMR=20lg（AVD/AVC）dB。此值越大越好，但是会随着信号的频率升高而下降，一般都大于80dB。10.电源电压抑制比（KSVR）：运放的失调电压随电源的变化率称为电源电压抑制比。即输出信号受电源电压的影响程度。若电源变化VS时失调电压变化量为VIo，则KSVR定义为：KSVR=20lg（VS/VIo）dB。此值越大越好，较小时输出中出现电源噪声。,实际运放的参数,11.消耗电流（ICC）：这是运算放大器电源端流通用的电流，随外加电路与电源电压的不同而变化。消耗电流越小越好，较大时放大器发热增加引起输出直流漂移增大。12.转换速率（SR）：若输入信号变化块，则输出跟不上输入的变化速度。SR是表示这种跟踪性能的参数。该值越大越好，但是该值高的运算放大器其他性能较差。13.增益带宽乘积（GB）：表示电压增益频率特性的参数，单位为MHZ。（单位增益带宽）。,实际运放的参数,还应当注意的一些参数,最高电源电压、功耗、工作温度、引线温度、输出电阻、建立时间等。,理想运算放大器-理论分析,理想运算放大器的主要特点:(1)开环电压放大倍数A为无限大。（线性区虚短）(2)输入电阻Ri为无限大。（虚断）(3)输出电阻Ro为零。,理想运放的分析方法,线性区-工作在闭环负反馈状态 虚短 虚断饱和区-工作在开环、正反馈状态 虚断 比较输出：,反馈,反馈：把输出信号的一部分或全部以一定的方式送回输入电路中，以增强或减弱输入信号的效应。理想运放的放大倍数为无穷大，实际运放的放大倍数也很大，利用负反馈可以控制放大器的放大倍数，提高增益精度，避免放大倍数过大造成失真。同时引入负反馈还可以降低噪声、失真、输出阻抗，增大输入阻抗。,运算放大器的基本应用电路,放大电路有源滤波器微积分电路电压跟随器电压电流转换电路加减运算电路比较器电路其他电路,由运算放大器组成的一些基本电路,电路中电阻的选择,阻值小的电阻可以通过较大的电流，具有良好的频率特性以及可以驱动放大器；但是阻值过小会增大电路的功率，减小输出动态范围。大阻值电阻会带来更多的噪声以及干扰漂移电流。选择时应折中选择（1K1000K）。,放大电路-比例放大,放大电路的种类很多，主要分为反相放大电路和同相放大电路。反相放大电路：信号由“-”端输入，放大后的信号相位与放大前相差180度。,放大电路,使用上述电路做放大器电路时，如果放大倍数很大，则R1的值非常大。有时实装与得到这种电阻都很困难，这时可以采用T型反馈电路，可有效降低R1的阻值。,T型反馈电路,运算放大器组成的放大电路,同相放大电路：信号由“+”端输入，输出信号与输入信号相位相同。,同相放大电路,同相放大电路与反相放大电路的区别,同相放大器：输入阻抗很大，但输入共模电压也大，共模抑制比CMRR引起的误差在高频时不可忽略。反相放大器：输入阻抗由输入端的外界电阻决定，共模电压小，可以减小共模抑制比CMRR引起的误差。,积分电路,积分运算电路：与反相放大电路相比，用电容C代替电阻Rf作为负反馈元件就成为积分运算电路。容易得出，Uo=1/(RC)Ui dt，其中RC为积分时间常数。,微分电路,将积分运算电路中的反相端输入电阻和反馈电容互相交换位置后即为微分运算电路。微分电路对高频干扰敏感。,微积分电路的应用,微分电路：微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波。1.提取脉冲前沿（反应突变）2.高通滤波 3.改变相角（加）积分电路：积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。1.延迟、定时、时钟 2.低通滤波 3.改变相角（减）,有源滤波器,有源滤波器的原理：有源滤波器利用运算放大器和电阻代替电感，从而实现滤波效果。运算放大器在这里的作用是不断给电路补充电阻消耗的能量。有源滤波器的优点和缺点：优点：不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小和调试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面。缺点：但因受运算放大器的频带限制，这类滤波器只能工作在低频。,有源滤波电路的分类,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。主要分为：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）全通滤波器（APF）,滤波器的主要技术指标和设计方法,中心频率（Center Frequency）：滤波器通带的中心频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。截止频率（Cutoff Frequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。通带带宽：指可以通过的信号的频谱宽度。,一阶低通滤波器,典型二阶有源低通滤波器如右下图所示，为防止自激和抑制尖峰脉冲，在负反馈回路可增加电容 C3，C3的容量一般为22pF51pF。该滤波器每节RC电路衰减20dB10倍频程，每级滤波器40dB10倍频程。,二阶有源LPF的设计,通带增益：,固有角频率：,品质因数：,传递函数的关系式为：,设计方法：性能参数可以由R、C值和运放增益Auf的变化来单独调整，设Avf=1，R1=R2，则Ra=，,（n为阶数）,电压跟随器,定义：电压跟随器，就是输出电压与输入电压是相同的，电压跟随器的电压放大倍数接近1。特点：输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。,作用：在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。,电压/电流转换电路,电压电流转换电路：电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。应用：长距离传送模拟电压信号时，因信号源内阻及电缆电阻产生压降，受信端输入阻抗越低相对压降越大，误差也越大。若要高精度传送电压信号，必须把电压信号先变为电流信号，即进行电流传送.。,如图所示为实用的电压-电流转换电路。A1构成同相求和运算电路，A2构成电压跟随器。图中R1=R2=R3=R4=R。可得到：Io=UI/Ro,将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号。应用：在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号420mA，为此，常要先将其转换成10V；的电压信号，以便送给各类设备进行处理。如图所示为电流-电压转换电路。在理想运放条件下，输入电阻Ri=0，因而iF=iS，故输出电压 Uo=-IsRfRs比Ri大得愈多，转换精度愈高。,电流/电压转换电路,全加器,比较器电路,电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高。,输出只有两种稳定工作状态：,高电平输出；,低电平输出。,单限比较器,参考电平,比较器电路,迟滞比较器：若电路加上正反馈则电路具有迟滞特性，也称为施密特触发器。,一、波形变换施密特触发器可用以将模拟信号波形转换成矩形波,正弦波信号同相转换成矩形波的例子,输出脉冲宽度可通过回差电压加以调节。,比较器电路,二、用于脉冲的整形利用施密特电路可以将失真的数字信号还原，消除电路带来的失真。,三、幅度鉴别施密特触发器的翻转取决于输入信号是否高于V+或低于V-，利用此特性可以构成幅度鉴别器，用以从一串脉冲中检出符合幅度要求的脉冲。,PWM调制电路：,占空比D=Vin（max）/Vref,Vref,信号发生器,正弦波信号发生器,振荡频率,信号发生器,方波发生器,运算放大器的选择,1.通用运算放大器：能适用大多数场合，但是满足不了一些特殊场合的要求。2.缓冲放大器：要求有非常高的输入阻抗和非常低的输出阻抗。3差模或差分放大器：差模放大电路有外部电阻和电容，所以它们的输入阻抗不高。但是能有效地抑制共模噪声。当信号电路的输出电阻与差模电路的输入电阻相当时差模放大电路不再适用。,运算放大器的选择,4.仪表测量放大器：仪表放大器具有非常高的输入阻抗以及高的共模抑制比，不存在电阻匹配问题。,仪表放大器AD620的内部结构,运算放大器的选择,5.电流反馈型放大器（CFA）特点：有很宽的带宽，能达到GHz。（VFA最高频率一般只能达到400MHz）缺点：输入阻抗低，最大电压摆低，性能不稳定，对寄生电容敏感。,运算放大器的选择,6.功率放大器（PA）：当一个运放输出一定电压，并提供超过几百毫安的驱动电流的时候，就要考虑使用PA。7.音频放大器：特殊的功率放大器。,如何让电路稳定工作,自激振荡：如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。基本放大电路必须由多级放大电路构成，以实现很高的开环放大倍数，然而在多级放大电路的级间加负反馈，信号的相位移动可能使负反馈放大电路工作不稳定，产生自激振荡。负反馈放大电路产生自己振荡的根本原因是AF（环路放大倍数）附加相移。而这种相移主要是由寄生电容和负载电容引起的。,如何让电路稳定工作,相位补偿技术：加入校正网络，破坏自激条件。其基本思想是设法拉开开环增益函数第一个极点频率和第二个极点频率之间的频率间隔。,如何让电路稳定工作,电容滞后补偿,若 的幅频特性在0dB以上只有一个转折频率（拐点），且下降斜率为20dB/十倍频，则属于只有一个RC回路的频率响应，最大相移不超过90。若在它的第二个转折频率（拐点）处对应的，且此处的最大相移为135(有45的相位裕度)，这样的负反馈放大电路是稳定的，因此电容滞后补偿即按此思路进行。,如何让电路稳定工作,根据以上分析，可以实现的方法是将 减小。而实现 减小的方法就是在第一级放大之后加一个电容，即滞后补偿。,如何让电路稳定工作,未加电容前：,加上电容后：,只要选择合适的电容C，使得修改后的幅频特性曲线上，以20dB/十倍频斜率下降的的这一段曲线与横轴的交点刚好在第二个转折频率fH2处，如图中的实线所示，所以负反馈放大电路一定不会产生自激振荡。,如何让电路稳定工作,RC滞后补偿电容滞后补偿虽然可以消除自激振荡，但使通频带变得太窄。采用RC滞后补偿不仅可以消除自激振荡，而且可使带宽得到一定的改善。,如何让电路稳定工作,