第6章集成运算放大器及其应用电路.ppt

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1、6.2集成运放性能参数及对应用电路的影响,6.4集成电压比较器,*6.3高精度和高速宽带集成运放,6.1集成运放应用电路的组成原理,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,6.1集成运放应用电路的组成原理,根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。,线性应用电路,Z1 或 Zf 采用非线性器件(如三极管)，则可构成对数、反对数、乘法、除法等运算电路。,Z1 或 Zf 采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。,组成：集成运放外加深度负反馈。,因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,非

2、线性应用电路,组成特点：运放开环工作。,由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。,6.1.1集成运放理想化条件下两条重要法则,因,则,因,则,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,说明：,相当于运放两输入端“虚短路”。,虚短路不能理解为两输入端短接，只是(v-v+)的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。,同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。,相当于运放两输入端“虚断路”。,实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时

3、，电路输出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,集成运放基本应用电路,反相放大器,类型：电压并联负反馈,因,则,反相输入端“虚地”。,因,则,由图,输出电压表达式：,输入电阻,输出电阻,因,因深度电压负反馈,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,同相放大器,类型：电压串联负反馈,因,则,注：同相放大器不存在“虚地”。,因,由图,输出电压表达式：,输入电阻,输出电阻,因深度电压负反馈,因,则,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,同相跟随器,由图得,因,由于,所以，同相跟随器性能优于射随器。,归纳与推广,当 R1、Rf 为线性电抗元件时，在复频域

4、内：,反相放大器,同相放大器,得,注：拉氏反变换时,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,加、减运算电路,反相加法器,6.1.2运算电路,因,则,因 i 0,则,即,整理得,说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可采用 叠加原理进行分析。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,同相加法器,利用叠加原理：,则,减法器,令 vs2=0，,则,令 vs1=0，,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,积分和微分电路,有源积分器,方法一：利用运算法则,方法二：利用拉氏变换,拉氏反变换得,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,方法三：利用运算法则,有源微分器,方法一：利用拉氏变换：,拉氏反变换得

5、,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,方法二：利用运算法则,波形变换,输入方波,积分输出三角波,微分输出尖脉冲,波形变换,积分电路,微分电路,对数、反对数变换器,对数变换器,利用运算法得：,由于,整理得,缺点：,vo 受温度影响大、动态范围小。,vs 必须大于 0。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,改进型对数变换器,由图,由于,(很小),则,(T1、T2特性相同),利用 R4 补偿 VT，改善温度特性。vS 大范围变化时，vO 变化很小。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,反对数变换器（指数变换器）,利用运算法则得,由于,整理得,缺点：,vs 必须小于 0，vo 受温度影响大。,第

6、 6 章集成运算放大器及其应用电路,乘、除法器,因 T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环，,则,分析方法一：,由图,整理得,(实现乘、除运算),第 6 章集成运算放大器及其应用电路,分析方法二：,A4 反对数放大器,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,6.1.3精密整流电路,精密半波整流电路,利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成对微小幅值电压进行整流的电路。,vI=0 时 vO=0 D1、D2 vO=0,vI 0 时 vO 0 D1、D2 vO=0,vI 0 D1、D2,vO=-(R2/R1)vI,工作原理：,输入正弦波,输出半波,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,精密转折

7、点电路,当 v-0，即 vI-(R3/R1)VR 时：,当 v-0，即 vI-(R3/R1)VR 时：,由图,vO 0 D1、D2,vO 0 D1、D2,则vO=0,则,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,精密转折点电路实现非线性的函数,R/R1,R/R2,R/R3,传输特性,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,6.1.3仪器放大器,仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。,特点：KCMR 很高、Ri 很大，Av 在很大范围内可调。,三运放仪器放大器,由,得,由,得,由减法器 A3 得：,若 R1=R2、R3=R5、R4=R6,整理得,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,有源反馈

8、仪器放大器,可证明,采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可构成低噪声、高精度、增益可调的仪器放大器。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,仪器放大器的应用,仪器放大器单片集成产品：,LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524 等。,例：仪器放大器构成的桥路放大器,温度为规定值时 RT=R 路桥平衡 vo=0。,温度变化时 RT R 路桥不平衡 vo 产生变化。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,6.1.5电流传输器,电流传输器：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。,电流传输器电路符号及特点,Y 输入端：iY=0，即 RY；,X 输入端：vX=vY，且 vX 与

9、 iX 大小无关，RX 0；,Z 输出端：iZ=iX，且 iZ 与 vZ 大小无关。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,电流传输器构成的模拟信号处理电路,互导放大器,互阻放大器,电流放大器,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,负阻变换器,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,6.2集成运放性能参数及对应用电路影响,6.2.1集成运放性能参数,Avd 高(80 140 dB)，Rid 高(M)，Rod低(200),差模特性,KCMR 高(80 120 dB)，Ric 高(100 M),共模特性,输入直流误差特性,IIB(10 100 A)，VIO(mV)，IIO(为 IIB 的 5%10%

10、),大信号动态特性,转换速率 SR，全功率带宽 BWP,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,集成运放电路模型,6.2.2直流和低频参数对性能的影响,Avd、Rid、Rod 为有限值的影响,运放应用场合不同，各项性能参数影响也不同。因此工程估算时，可针对不同场合，有选择地分析运算误差。,可证明,其中,Avd 对精度影响最大。Avd 越大，运算误差越小。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,KCMR、Ric 为有限值的影响,可证明,其中,Avd、KCMR 越大，同相放大器运算精度越高。,由于同相放大器输入端引入了共模信号，因此必须考虑KCMR的影响。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,输入

11、偏置电流 IIB 对性能的影响,则 IIB 在外电路反相端产生的直流电压：,则 IIB 在外电路同相端产生的直流电压：,设 R-、R+分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。,输入偏置电流,若,则,输出无失调,例：,注：平衡电阻 R+的接入对性能指标计算没有影响，但运算精度得到明显改善。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,失调电流 IIO 与失调电压 VIO 的影响,可证明,为减小失调的影响：,在 R+较小时，应选择 VIO 小的运放；,在 R+较大时，应选择 IIO 小的运放。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,6.2.3高频参数对性能的影响,小信号频率参数,开环带宽 BW,内补

12、偿的集成运放可近似看成是单极点系统，该运放的上限截止频率即开环带宽 BW(或称 3 dB 带宽)。,单位增益带宽 BWG,指增益下降到 1(0 dB)时对应的频率。小信号工作时，其值为常数，且 BWG=AvdI BW。,当运放闭环工作时，BWG等于反馈电路的增益带宽积。,反馈越深，Avf 越小，闭环带宽 BWf 越宽。,即BWG=Avf BWf,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,大信号动态参数,指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率。其值越大，运放高频性能越好。,影响 SR 主要原因：运放内部存在寄生电容和相位补偿电容。,转换速率(又称压摆率),指集成运放输出最大不失真峰值电压时，允许

13、的最高工作频率。,全功率带宽,当 SR 一定时，最大不失真输出电压与工作频率成反比。工作频率越高，不失真输出的 Vom 就越小。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,6.4集成电压比较器,电压比较器的作用,比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。,电压比较器的特点,输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。,6.4.1电压比较器的作用,电压比较器工作原理,可知，只要开环 Avd 很大，则 v+、v-间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。,由,v+v-时，vO=Vomax(正饱和值),v+v-时，vO=Vomin(负饱和值),v+=v-时，逻辑状态转换,因此,第 6 章集

14、成运算放大器及其应用电路,6.4.1具有不同比较特性的电压比较器,单限电压比较器,特点：运放开环工作,过零比较器,(VREF=0),R1 限流电阻，与 D1、D2共同构成电平变换电路,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,理想比较特性,vI VREF 时，vO=Vomax,vI VREF 时，vO=Vomin,vI=VREF 时，逻辑状态转换,理想特性,实际比较特性,实际特性,vI VREF-Vomax/Avd 时，vO=Vomax,vI VREF-Vomin/Avd 时，vO=Vomin,注：Avd 越大，比较特性越接近理想特性，VREF 作为门限值的 比较精度越高。,第 6 章集成运算放大

15、器及其应用电路,单限比较器,分析方法：,1)令 v-=v+，求出的输入电压 vI 即门限电平。,2)分别分析 vI 大于门限、小于门限时的输出 vO 电平。,令,得门限电平,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,单限比较器优点：,电路结构简单，可不计有限 KCMR 的影响。,单限比较器缺点：,电路抗干扰能力差。,例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信号时，输出会出现误操作。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,反相输入迟滞比较器,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,原理：v+,v-相比较,v+v-时，vO1=Vomax(正饱和值),vO=VoH,v+v-时，vO1=Vomin(负饱和值

16、),vO=VoL,v+=v-时，逻辑状态转换,v-=vI,迟滞比较器,V-V+,VO=VOH,当vI由小于VIL的值向正的增加，VO=VOH,V+=VIH当vI增加到VIL,发生由高电平向低电平变换,V-V+,VO=VOL,当vI由大于VIH的值向负的减少，VO=VOL,V+=VIL当vI减少到VIL,发生由低电平向高电平变换,令,得门限电平：,求解反相输入迟滞比较器,迟滞宽度：,习题6-29(a),-+,A,vO,vI,+-,R3,D1,D2,R,R1,R2,得门限电平：,同相输入迟滞比较器,迟滞宽度：,将反相迟滞比较器中的vI 接在同相端，即得同相输入迟滞比较器。,第 6 章集成运算放大器

17、及其应用电路,迟滞比较器优点：,电路抗干扰能力强,例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，在已知输入信号时，试画输出信号波形。,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,迟滞比较器,在迟滞比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有 VOH高电平和VOL低点平两种情况一般用电压传输特性（比较特性曲线）来描述输出电压VO与输入电压VI的 关系传输特性的三要素：输出电压高低电平-取决于输出限幅电路门限电平-令U+=U-，所求UI就是门限电平输出电压发生越变的方向-取决于同相输入还是反相输入。,迟滞比较器应用方波发生器,设 t=0 时，vO=VOH，初始 vC=0,则 VOH 经 R 向 C 充电 vC 按指数规律,当 vC VIH 时 vO 跳变为 VOL,此时 C 经 R 放电 vC 按指数规律,当 vC VIL 时 vO 又上跳到 VOH,可证振荡周期：,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,窗孔比较器,具有两个基准电源，可以判断位于两个指定门限之间的输入信号。,特点：,组成：A1 精密整流电路，A2 单限比较器,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,由 A2,当 0 0 D1、D2,得下门限,由 A2,当 vI 0，且 vI VREF1 时：vO1 0 D1、D2,得上门限,此时,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,迟滞宽度,第 6 章集成运算放大器及其应用电路,