修改后的运算放大器及运算放大器的选择应用资料.ppt

1、运算放大器,运算放大器的选型及应用,运算放大器简介,运算放大器的内部框图：,输入级,中间级,输出级,偏置电路,IN-,IN+,Vout,运算放大器主要由输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成,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； 中间级输入级：采用差动放大电路，决定整个运放的：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； b.专用型运放，也成特殊型运放。 通用

2、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,专用型运放又分为低功耗型、高输入阻抗型、高速型、高压型、电流型、大功率型、跨导型及程控型等。 根据输入和输出信号特点： 1.电压增益（输出电压/输入电压） 2.电流增益（输出电流/输入电流） 3.跨阻增益（输出电压/输入电流） 4.跨导增益（输出电流/输入电压）,运算放大器的分类,按集成个数分： 单运放、双运放及四运放。,理想运算放大器,理想运算放大器的主要特点: (1)开环电压放大倍数Auo为无限大。 (2)输入电阻Ri为无限大。 (3)输出电阻Ro为零。,理想电压反馈运算放大器模型,4.2

3、.1 集成运算放大器基本知识,一. 常用运算放大器类型,1. 通用型运算放大器 参数是按普通用途设定的，各方面性能都较差，价格低廉。 典型型号：A 741（单）、LM358（双）、LM324（四）、LF356等。 常用于对速度和精度要求不高的场合。,2. 精密型运算放大器 精确度高。 典型型号：TLC4501/4502 、TLE2027/2037、TLE2022、TLC2201、TLC2254等。 常用于需要精确测量的场合。,3. 低噪声型运算放大器 也属于精密型运算放大器，器件产生的噪声低。 典型型号：TLE2027/2037、 TLE2227/2237 、TLC2201、TLV2262/2

4、362等。 常用于精确测量、低噪声的场合。,4. 高速型运算放大器 转换速率高，频率响应宽。 典型型号：LM318、 A 715、TLE2037/2237 、TLV2362、TLE2141/2142/2144、TLLE20171、TLE2072/2074、TLC4501等。 常用于快速A/D和D/A转换器、视频放大器中。,5. 低电压、低功率型运算放大器 低电压供电、低功率消耗。 典型型号：TLV2211、TLV2262、TLV2264、TLE2021、 TLC2254、TLV2442、TLV2341等。 常用于便携式仪器，3V（或1.5V）的供电系统。,6. 高阻型运算放大器 差模输入阻抗非

5、常高，达1091012。 典型型号：LF356/355/347、CF355/356/357、CA3130/3140等。 常用于高输入阻抗的仪器仪表中。,7. 低温漂型运算放大器 增益、共模抑制比都很高，输入失调电压、失调电流、温漂及噪声都很小。 典型型号：OP-07、OP-27、AD508等。 常用于精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中。,8. 高压大功率型运算放大器 高电压供电、大电流输出。 典型型号：D41、 A 791。 常用于高电压供电、大电流输出的场合。,9. 低温漂型运算放大器 超低失调电压，超低漂移，高增益，高输入阻抗。 典型型号：ICL7650。 常用于直流和超低频系统中，如电

6、桥信号放大、测量放大、生物医学工程检测等领域。,实际运算放大器的一些参数,1.输入失调电压（VIO）：输入失调电压(Input off set Voltage)，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。 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。,实际运算放大器的一些参数,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

7、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。,实际运算放大器的一些参数,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

8、运算放大器两输入端与地之间能加的共模电压的范围。,实际运算放大器的一些参数,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，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。,实际运算放大器的一些参数,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

9、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。GB=Aff。,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。,集成运放的线性应用,集成运放的非线性应用,反馈,反馈：指在电子管或晶体管电路中，把输出电路中的一部分能量送回输入电路中，以增强或减弱输入讯号的效应。 理想运放的放大倍数为无穷大，实际运放的放

10、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，避免放大被数过大造成失真。 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。,4.2.5 使用集成运放注意事项,（1）电源供给方式 对称双电源供电方式。 单电源供电方式。 （2）调零问题 由于运放输入失调电压和失调电流的影响，运放组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不为零。 为了提高精度，需要对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，即运放调零。,调零方法：内部调零、外部调零。,图4-8 运放调零方法,（3）自激振荡问题 运放是一个高放大倍数的多级放大器，在深度负反馈条件下，容易产生自激振荡。为此，需要加入一定的频率补

11、偿网络，消除自激振荡。,图4-9 运放自激消除方法,C：消除自激振荡。 C1C4：退耦电容，消除电源内阻造成低频、高频振荡。 低频：10 F 高频：0.01F 0.1 F,（4）保护问题,运算放大器的基本用途,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,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。相应的，大阻值电阻会带来更多的噪声以及有可能引起PCB的漏电流。阻值过小会增大电路的功率，而且电阻误差大，负载很重。选择时应折中选择（1K1000K）。,由运算放大器组成的一些基本电路,放大电路的种类很

12、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。 优点：对运放共模抑制比要求低,一、 运算放大器组成的放大电路,运算放大器组成的放大电路,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。 缺点：对运放共模抑制比要求高,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

13、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。,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。,Uo / Ui

14、= 1 Rf / R 这里Rf=0，R= 所以Uo=Ui。,电压跟随器,特点：输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小,反相求和电路,特点：调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系,同相求和电路,微分电路,基本微分运算电路 ：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。,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、把三角波变为方波。 1

15、.提取脉冲前沿 ，变换波形 2.高通滤波 3.改变相角（加） 积分电路：将方波变为三角波或锯齿波，将三角波变为正弦波、还可将锯齿波转换为抛物波。 1.波形变换 2.低通滤波 3.改变相角（减） 4、在模数转换中将电压量变为时间量，延迟、定时、时钟,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

16、,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（BWxdB）：

17、指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。,插入损耗（Insertion Loss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征 。,4.3 有源滤波电路设计,4.3.1 滤波器分类,1、无源滤波器,2、有源滤波器,各种滤波电路幅频特性如图4-27所示。,4-27,一阶低通滤波电路( LPF ),特点：Avp 0，带负载能力强。缺点：阻带衰减太慢，选择性较差。,简单二阶LPF,典型二阶有源低通滤波器如右图所示，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

18、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,式中 Auf 、n 、Q分别表示如下：,通带增益：,固有角频率：,品质因数：,传递函数的关系式为：,下面介绍设计二阶有源LPF时选用R、C的两种方法。 方法一：设Avf=1，R1=R2，则Ra= ，以及,（n为阶数）,2、 设计方法,由上式得知 ,Q可分别由R、C值和运放增益Auf的变化来单独调整，相互影响不大，因此该设计法对要求特性保持一定 而在较宽范围内变化的情况比较适用，但必须使用精度和稳定性均较高的元件。,方法二：R1=R2=R，C1=C2=C，则,2、高通滤波器设计,

19、（1）二阶压控电压源高通滤波器,4-31,（2）二阶无限增益多路负反馈高通滤波器,4-32,3、带通滤波器设计,（1）二阶压控电压源带通滤波器,4-33,（2）无限增益多路负反馈二阶带通滤波器,（4-40）,4-34,4-34,4、带阻滤波器设计,（1）双T带阻滤波器电路,4-35,（2）无限增益多路负反馈二阶带阻滤波器,4-36,（3）由带通变换到带阻的方法,5、多功能有源滤波器,4-39,4-39,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

20、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.。,4.4 信号产生电路,4.4.1 矩形波产生电路 1、工作原理,（4-46）,（4-47）,2、振荡周期,4-41,（4-48）,（4-49）,（4-50）,（4-51）,（4-52）,3、占空比可调的矩形波产生电路,4.4.2 正弦波产生电路,4-44,4-44,4.4.3 三角波产生电路,4-47,4.4.4 锯齿波发生器,4.5 变换电路,4.5.1 电压/频率、频率/电压变换电路,4-50,4.

21、5.2 电流/电压变换电路,4-53,4-53,如图所示为实用的电压-电流转换电路。由于电路引入了负反馈，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。 因此 ： A1构成同相求和运算电路，因此 ，代入上式 Uo1=Up2+UI，Ro上的电压 URo=Uo1-Up2=UI ，则 Io=UI/Ro,电流电压转换电路：与电压电流电路正好相反，它是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

22、下，输入电阻Ri=0， 因而iF=iS，故输出电 压 Uo=-IsRf Rs比Ri大得愈多，转换 精度愈高。,加减运算电路,反相求和运算电路 ：,差分比例运算电路（Rf = R时即为减法运算 ）：如果在同相和反相输入端分别加上输入信号（如左图所示），则构成差分比例运算电路。分析此电路可得， Uo = (Ui2 Ui1） x Rf / R。 若使Rf = R，则Uo = Ui2 Ui1，,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。,由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若

23、不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0，R3=RF=时， Vout=。增益成为无穷大，其电路 图就形成下图的样子，差分放大器 处于开环状态，它就是比较器电路。 实际上，运放处于开环状态时，其增 益并非无穷大，而Vout输出是饱和电 压，它小于正负电源电压，也不可能 是无穷大。,回差比较器电路：若电路加上正反馈则电路具有回差特性，也成为施密特触发器。,一、波形变换 施密特触发器可用以

24、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。,施密特触发器的应用,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,运算放大器的一些其他实用电路,绝对值电路：绝对值电路是取输入信号绝对值的电路，即Vo=|Vin|。,线性检波电路（求绝对平均值的电路）：,峰值保持电路：,正峰值保持电路,运算放大器的选择,

25、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。但是能有效地一直共模噪声。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。,增益的计算：,仪表放大器AD620的内部结构,运算放大器的选择,仪表放大器的缺点：成本较高，引入了额外的信号延时，减小了输入共模电压范围。 5.电流反馈型放大器（CFA） 特点：有很宽的带宽，

26、能达到吉赫兹。（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.高频放大器（WFGA）：高频放大器往往是固定增益放大器，适用了固定的结构，带宽能达到10GHz。 7.全差分放大器（FDA）：将一个离散的单端信号变换为差分信号。 优点：（相对传统电路）元器件减少，降低了成本，为ADC提供了一个共模输出电压（公共参考地）。,运算放大器的选择,使用FDA进行单端到差分的转换：,运算放大器的选择,8.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。 9.音频放大器：特殊的功率

27、放大器。,关于电流反馈运算放大器的应用,电流反馈运算放大器有几点成立和不成立的规律： （1）不成立的规律 a.电流反馈运算放大器不能按照传统的方式来配置为单位增益缓冲器（输出端与反相输入端直接相连）。,错误的接法,正确的接法,关于电流反馈运算放大器的应用,b.在电流反馈运算放大器的输出端与反响输入端之间不能直接以电容相连。,错误的接法,正确的接法,关于电流反馈运算放大器的应用,正确的双极点滤波器电路：,关于电流反馈运算放大器的应用,（2）成立的规律 a.注意反相输入端口的连线长度。由寄生电容、不同层的电路以及端口连线在输入端口的连线在输入端口形成的电容会降低系统的相位裕度。 b.电流反馈运算放

28、大器在它的反馈环路中必须有一个电阻。通常在元件的技术资料中会给出这个电阻的参数。,关于电流反馈运算放大器的应用,c.当需要改变由电流反馈放大器构造的电路的增益时，改变输入端口的增益电阻的值，不要改变反馈电阻的阻值。 d.一定要采用正确的PCB技术，为高速运算放大器采用一个独立的模拟地。 e.一定要采用正确的去耦技术。在电源引脚附近接一个小于0.1in的10nF或100nF的陶瓷电容。,如何让电路稳定工作以及减小噪声,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以及减小噪声,