运算放大器与有滤波器(更新)

1、运算放大器与有滤波器（更新）作者:日期:图1-1运算放大器基本结构1、差动式输入级：提高共模信号抑制能力，经常采用采用双输入双输出形式。2、电压放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。3、输出级：提高输出功率。通常由 PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组 成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。二、运算放大器的性能指标：1、输入偏置电流(Input Bias Current), I旧：是指当输出电压为0时，差动放 大级的两输入静态电流的平均值，也就是指差动放大电路中三级管的基极工作电流，正常情况下运放的输入偏值电流在10nA1uA之间，通常是由输入电阻和反馈电阻提供，从而限制了运放

2、的输入电阻和反馈电阻的阻值，因此在实际中不能将运放的反馈电阻选择的过大，一般选择 K 级。如果要达到 pA级，通常前级放大器使用电压型控制器件(FET),这样就可以使用大的 输入电阻和反馈电阻。2、输入失调电流(Input Offset Current), IIO：是指当输出电压为0时，两个 输入端的静态基极电流之差，反映输入级差分对管不对称程度，一般为 1nA0.1uA,在实际应用中一般要求Iio越小越好。3、输入失调电压(Input Offset Voltage ) ,Vio：在室温以及标准电源电压下，输入电压为0时，为了使输出电压也为0,需要在输入段施加的补偿电压，该 电压就是输入失调电

3、压，用来表征放大器内部的对称性。在实际中，对高放 大倍数的运算放大器进行偏置补偿是十分困难的，原因一：微小的错误调节 也会导致过补偿或者欠补偿，导致差动信号进一步被放大；原因二：偏置电 压对温度的依赖性比较大，即我们经常说的输入失调电压温漂。4、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）aVIO:是指在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。该参数实际是输入失调 电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的 漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在 ±1020卜V/之间，精密运放的输 入失调电压温漂小于±1pV/5、输入失调电流的温度漂

4、移（简称输入失调电流温漂）：是指在给定的温度范围 内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。 该参数实际是输入失调电流的补 充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。 输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用于直流信号处 理或是小信号处理时才需要关注。6、输入阻抗：运算放大器的输入阻抗分为共模输入阻抗和差模输入阻抗 。共模 输入阻抗是指运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻。差模输入阻抗是指运放工作在线性区时， 两输入端的电压变化量与 对应的输入端电流变化量的比

5、值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容， 在 低频时仅指输入电阻。在实际看到运放参数仅给出输入电阻（差模输入电阻） 参数。7、输出阻抗：是指运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电 压变化量与对应的电流变化量的比值。 在低频时仅指运放的输出电阻，通常在 资料中看到的是运放的输出电阻， 它用来表征运放的带载能力。对于电压型运 放来说输出电阻越小带载能力越强， 对于电流型运放来说输出电阻越大，带载 能力越强。8、转换速率（Slew Rate） Sr：放大器的闭环情况下，输入为最大信号，输出 电压对时间比值，用来衡量放大器的响应速度。9、共模抑制比(Common Mode Rejecti

6、on Ratio), CMRR ：放大器对差模信号的 电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数 Auc之比，称为共模抑制比。 用来说明差动放大电路抑制共模信号的能力(抗干扰的能力)。差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数 Auc越小，则CMRR越大。此 时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数 Auc=0,则共模抑制比CCMRoo ,这 是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷 大，典型值一般不会大于140dB。电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑 制共模信号(抗干扰)的能力也就越差。

7、10、开环差模电压增益，Aod：开环差模电压增益Aod指在无外加反馈情况下的直 流差模增益，它是决定运算精度的重要指标，通常用分贝表示，即，201gVAod =Vi Vi2不同功能的运放，A0d相差悬殊，高质量的运放可达140dB。11、最大差模输入电压VIdmax：是指集成运放的反相和同相输入端所能承受的最 大电压值。如果输入电压超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久损坏，利 用平面工艺支撑的NPN管约为 5V左右，而横向的BJT可达 30V以上。12、单位增益带宽积BWg：是指下降3dB时所对应的信号频率称为增益带宽积， 对

8、于高性能的运放一般在兆级以上。三、运算放大器的种类1、按制作工艺分类按照制造工艺，集成运放分为双极型、 COMS型和BiFET型三种，其中双 极型运放功能强、种类多，但是功耗大；CMOS运放输入阻抗高、功耗小，可以 在低电源电压下工作；BiFET是双极型和CMOS型的混合产品，具有双极型和 CMOS型运放的优点。2、按照工作原理分类(1)电压放大型：输入是电压，输出回路等效成由输入电压控制的电压源， F007, LM324和MC14573属于这类产品。(2)电流放大型：输入是电流，输出回路等效成由输入电流控制的电流源，例如：LM3900。(3)跨导型：输入是电压，输出回路等效成输入电压控制的电

9、流源，例如：LM3080。(4)互阻型：输入是电流，输出回路等效成输入电流控制的电压源，例如：AD80093、按照性能指标分类(1)高输入阻抗型：对于这种类型的运放，要求开环差模输入电阻不小于1M ,输入失调电压Vos不大于10mV。实现这些指标的措施 主要是在电路结构上，输入级采用结型或MOS场效应管，这类运 放主要用于模拟调解器、采样保持电路、有源滤波器中。例如：F3030O(2)低漂移型：对这类运放的要求是：输入失调电压温漂 型OS <2 V/ C, dT输入失调电流温漂 d丝 <200pA/C, Aod 120dB, Kcmrr 110dB。 dT实现这些功能的措施通常是，

10、在电路结构上除采用超管和低噪声 差动输入外，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻，或在 电路中加入自动控温系统以减小温漂。这种类型的运放主要用于 毫伏级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算以及自动控 制仪表中。目前，采用调制型的第四代自动稳零运放，可以获得0.1 V/ C的输入失调电压温漂。例如：FC72、F032、XFC78、OP07 和 OP27。(3)高速型：对于这类运放，要求转换速率 SR>30V/ s,单位增益带宽>10MHz。实现高速的措施主要是，在信号通道中尽量采用NPN管，以提高转换速率；同时加大工作电流，使电路中各种电容上的 电压变化加快。高速运放用于快速

11、A/D和D/A转换器、高速采样 保持电路、锁相环精密比较器和视频放大器中。 例如：F715、F722、F3554等，(4)低功耗型：对于这种类型的运放，要求在电源电压为15V时，最大功耗不大于6mW;或要求工作在低电源电压时，具有低的静态功耗并保持良好的电气性能。在电路结构上，一般采用外接偏置电 阻和用有源负载代替高阻值的电阻。在制造工艺上，尽量选用高电 阻率的材料，减少外延层以提高电阻值，尽量减小基区宽度以提高 值。低功耗的运放一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术设备中。例如：F253、F012、FC54、XFC75 ,ICL7600(5)高压型：为得到高的输出电压或大的

12、输出功率，在电路设计和制 作上需要解决三极管的耐压、动态工作范围等问题，在电路结构 上常采取以下措施：利用三极管的 CB结和横向PNP的耐高压性 能；用单管串接的方式来提高耐压；用场效应管作为输入级。例 如：F1536、F143 和 BG315, D41。四、几种常用运算放大器参数举例：参数型号输入 失调 电压 (uV)输入 失调 电流 (nA)输入 偏值 电流 (nA)输入噪声电压UV p-p共模 抑制 比 (dB)转换速率(V/uS)单位增 益带宽 积(MHz)成本(元)OP07601.220.35uVp-p1260.30.62.8NJM458050051000.8uVrms1105150

13、.66NJM5532500102001008102.3从上表可以看出OP07的输入失调电压非常小，因此常用于小信号放大，主要用在话筒开关导唱检测。在音频运放NJM4580和NJM5532,可以看出NJM5532应用于对音频要求比较高的场合，大多数应用在 KTV的机顶盒中，对于其他机顶盒中音频运放使用 NJM4580 即可。视频运放：AD8091 (单通道视频运放)的基本参数：参数输入输入输入转换共模差分差分0.1dB成本失调失调偏值速率抑制增益相位平坦增(元)电压电流电流V/us比误差面中竟(mV)(nA)(uA)(dB)(%)(度)(Hz)AD80911.71001.4170880.030.

14、03>10M1.81从上图可以看出视频运放要求高转换速率，在0-6MHz带宽内增益是平坦的，且相移要小。五、反馈在集成运放中的应用实际中使用集成运放组成的电路中，总要引入反馈，以改善放大电路性能， 因此掌握反馈的基本概念与判断方法是研究集成运放电路的基础。1、反馈的基本概念(1)什么是电子电路中的反馈：在电子电路中，将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式馈 给输入回路，与输入信号一起共同作用于放大器的输入端，称为反馈。(2)正反馈与负反馈：若放大器的净输入信号比输入信号小，则为负反馈，反之若放 大器的净输入信号比输入信号大，则为正反馈。就是说若 Xi<Xd , 则为正反馈，若Xi

15、>Xd ,则为负反馈。(3)直流反馈与交流反馈若反馈量只包含直流信号，则称为直流反馈，若反馈量只包含 交流信号，就是交流反馈。直流反馈一般用于稳定工作点，而交流 反馈用于改善放大器的性能，所以研究交流反馈更有意义， 2、反馈的判断反馈极性的判断，就是判断是正反馈还是负反馈。判断反馈极性的方法是瞬时极性法： 其方法是，首先规定输入信号在某一时 刻的极性，然后逐级判断电路中各个相关点的电流流向与电位的极性， 从而得到 输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性； 若反馈信号使净 输入信号增加，就是正反馈，若反馈信号使净输入信号减小，就是负反馈。例如，在图1-2a所示的电路中首先设

16、输入电压瞬时极性为正，所以集成运 放的输出为正，产生电流流过 R2和R1,在R1上产生上正下负的反馈电压 Vf, 由于Vd=ViVf, Vf与Vi同极性，所以Vd<Vi,净输入减小，说明该电路引入 负反馈。在图1-2b所示的电路中首先设输入电压 Vi瞬时极性为正，所以集成运放的 输出为负，产生电流流过R2和R1,在R1上产生上负下正的反馈电压 Vf,由于Vd=ViVf, Vf与Vi极性相反，所以Vd>Vi ,净输入减小，说明该电路引入正 反馈。在图1-2c所示的电路中首先假设ii的瞬时方向是流入放大器的反相输入端Vn,相当于在放大器反相输入端加入了正极性的信号，所以放大器输出为负，

17、放大器输出的负极性电压使流过 R2的电流if的方向是从Vn节点流出，由于ii= id +if,有id=ii - if,所以ii>i d,就是说净输入电流比输入电流小，所以电路引入负反馈b)Rc)10图1-4反相比例运算电路图12几种反馈形式电路图3、负反馈电路的作用：负反馈对放大电路的性能影响很大，除可以改变放大器 的输入、输出电阻外，还可以稳定放大倍数、展宽频带、减小非线性失真。 特别是当反馈深度很大时，改善的效果更加明显，但是事情都是一分为二的,反馈深度很大时，容易引起放大电路的不稳定，产生自激振荡。4、四种常见的反馈电路类型:(1)电压串联负反馈(2)电流并联负反馈(3)电压并联负

18、反馈(4)电流串联负反馈六、几种常见信号放大电路：分析方式：虚短、虚断1、反相输入比例运算：电路如图 利用“虚断”概念，由图得利用“虚地”概念Vi VN/Vi i1 -R1R1VN Vo Vo i fRfRf导出RfVo ViR虽然集成运放有很高的输入电阻，但是并联反馈降低了输入电阻，这时的a)输入电阻为Ri= Ri o2 .同相比例运算电路图1-5同相比例运算电路同相比例运算电路见图1-531,利用“虚断”的概念有ii利用“虚短”的概念有ii0 VNRVNVoRfVp苒ViVi同VoRT则输出电压为:RfVo (1 -)ViRi=oo。由于信号加Ri由于是串联反馈电路，所以输入电阻很大，理想

19、情况下 在同相输入端，而反相端和同相端电位一样，所以输入信号对于运放是共模信号 这就要求运放有好的共模抑制能力若将反馈电阻Rf和Ri电阻去掉，就成为图1-5b所示的电路，该电路的输出全部反馈到输入端，是电压串联负反馈。有Rl=oo、Rf=0可知vo=vi ,就是输出 电压跟随输入电压的变化，即电压跟随器3 .加法运算电路反相加法电路由图1-6所示。由图可知i i i2i3i fiiViRi2Vi2R2i3Vi3R3ifVoRf所以有VoRf* RiV2R2N1若 Ri=R2=R3=Rf=R 则有RfVo 一(Vii Vi2 Vi3R该电路的特点是便于调节。Vi4)图1-6加法电路4.减法运算电

20、路利用差动放大电路实现减法运算的电路如图所示。由图有ViiVnRiVnVoRfVi2VpR2VpR3图1-7减法电路由于VN=VP,所以RfR3(i 记)(RRR3)Vi2Rf 一Vii Ri当 Ri=R2=R3=Rf 时VoV2 Vii5、三种放大电路优缺点比较(i)同相放大器：同相放大器具有高输入阻抗特点，但由于阻抗高， 易受杂散电磁场的影响而精度不足。所以，同相放大器常用于前 置放大器，偶尔用于电路中作为阻抗变换或隔离级，常用电压跟 随器中。(2)反相放大器：反相放大器优点是性能稳定，缺点是输入阻抗比较 低，但一般能够满足大多数场合的要求，因此在电路中应用较多(3)差动放大器：差动放大器

21、输入阻抗较低，但可用其构成仪用放大 器，而具有高共模抑制比，高输入阻抗和可变增益等一系列优点七、有源滤波器有源滤波通常是由RC网络和运算放大器组成。其功能是让一定频率范围内 的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。主要分为低通、高通、带 通和带阻等四种形式，下面论述或举例均以低通滤波器为例。1、两种常用的滤波器的拓扑结构介绍：(1) Sallen-Key 电路结构:图1-8a二阶增益K=1的S-K电路图 图18b二阶增益K=1+R4/R3电路图18图1-8a和图1-8b分别是增益为1 和 1 + R4/R3 的二阶 Sallen- Key 的电路结构形式，电路的截至频率fc和Q值如下:

22、fc 1 2 R1C1R2C2QRR2C1C2 (RC2 R2c2 RC1(1 K)要求在使用过程中要确保增益K< 1+(R 1C2 R2c2)/RC1 ,否则会引起自激振荡，导致系统工作不正常。(2) MFB (无限增益多路反馈)电路结构:图1-9二阶MFB电路图电路特性如下：增益：K= R2/R1截至频率：fc 1/2 JR2C1R3c2Q 化 Q jRRCG - RCi R2C1 R3CiK)(3)优缺点：1)、在单位增益系统中，S-K滤波器具有很高精度，运放充当缓 冲器输出，而MFB滤波器通过R2/R1来确定增益，因此精 度比较差。2)、在单位增益系统中，S-K滤波器比MFB所需

23、要的器件少。3)、如果增益比较大，S-K滤波器会容易出现振荡，而 MFB滤 波器不会出现振荡，具有较高的稳定性。(4)两种电路结构建议使用范围：1)、MFB有源滤波器适用于对元件敏感较小的系统中。2)、Sallen-Key有源滤波器适用对于增益精度要求比较高、或者 是单位增益、或者是Q值较低(例如Q<3)的系统中。2、三种常用的滤波器特点：(1)巴特沃思有源滤波器：巴特沃思滤波器特性是单调的，且在同频带内比较平坦，对于 高阶巴特沃思滤波器的幅频特性仍然是单调的，且在通频带内更为 平坦。一般表达式为：| Au(co)|?=AupV( 1 +(co/wp)2n)下图给出2阶、5阶、7阶的巴特

24、沃斯滤波器幅频特性示意图：切比雪夫在通带或者阻带上频率响应响应幅度有起伏，在p且接近p时下降较陡。他的幅频特性一般可表示为：|Au(a>)|?=K2 A/( 1 +fiCn( o)/Wp)-)下图给出3阶和4阶的切比雪夫幅频特性示意图：0.10.20.512 f/fp(3)贝塞尔有源滤波器：贝塞尔滤波器的特点是相频特性在一段频率范围内线性度好，且相移比巴特沃思或切比雪夫的相移小，同时其阶跃响应没有过程现象，因此常用于音频 DAC输出端的平滑滤波器，或音频 ADC输入端的抗混叠滤波器方面，是一种 出色的选择。2、三种滤波器比较总结：巴特沃思滤波器：优点：在通频带内提供一个平坦的幅频特性，而

25、且在通频带内性能 很好，他的脉冲响应比切比雪夫好，衰减率比贝塞尔好。缺点：对于阶跃响应存在过冲和振铃。切比雪夫：优点：在通频带之外衰减比巴特沃思要快。缺点：在通频带之内有波动，在阶跃响应存在可接受的振铃信号。贝塞尔：优点：阶跃响应好：非常小的过冲和振铃。缺点：通频带之外衰减率比较慢。3、几款常用的滤波器辅助设计软件：(1) FilterLab： Microchip 公司出品，只提供幅频和相频特性曲线， 可以利用向导进行设计，也可以根据自己实际要求手动设置各种 值，对于各种参数有一定的限制，比较适合低频滤波器的设计， 但应该可以满足大多数的应用了。(2) FilterCAD : Linear公司

26、出品，在集成滤波器设计中应用非常广的 软件，提供设计向导，方便快速设计集成滤波器，具有相频、幅 频和群延迟曲线，频率轴可选择线性和对数两种模式，比较适用 开关电容滤波器的设计。(3) FilterPro : TI公司出品，操作简单，直观明了，也是一款不错滤 波器设计软件。(4) Filter Solutions : Nuhertz公司出品，据了解功能非常齐全，需 要付费使用。(5) Filter Wiz Pro : Schematica公司出品，据了解非常好用，需要 付费注册使用，如果不注册，电阻和电容的值非常有限。4、有源滤波电路设计流程：在滤波器的电路设计过程，推荐使用辅助软件进行滤波器的

27、设计，优点：简单，直观，高效，修改方便。下面结合FilterLab软件为例介绍有源滤波器的设计过程：(6) 根据实际的需要提出和明确技术指标。(7) 单击【Filter菜单下【desigri选项，进入滤波器设计。(8) 选择滤波器的模型和类型：选择【Filter Specification标签提供以 下设计：Approximation页面下选择滤波器的形式： Butterworth, Bessel, Chebychev。 在 Selectivity 页面下选择滤波器的类型： Lowpass,Highpass,Bandpass 在 Overall Filter 框中输入所需要增益，但最 大增益只允许10V/V o如果在 Approximation下选择使用Bessel滤波器， 只提供Lowpass模型。(9) 设置滤波器的参数：选择【Filter Parameter3标签下进行电路参数 的设置。如果选择Force Filter Order,只能进彳T阶数(0-8阶)、通频带的 衰减(范围0.01dB3dB)、和通频带的带宽(范围 01MHz)进行设计。如果没有选择Force Filter Order,可以进彳T阶数（0-8阶）、通频带的衰减 （0.013dB）、通频带的带宽（01MHz）、截至频率（01MHz）、截至 频段的衰减（-10-100dB）等设计。如果选择的是 Besse