《运算放大器应用简化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运算放大器应用简化（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,运算放大器的应用,电子杯培训 主讲：李玉柏 杨忠孝,2,第一章、理想运放基本组态,3,同相输入端 反相输入端 输出端 正电源端、负电源端 接地端 补偿端 偏置端 调零端 其中前五种为基本引出端。,运放的引出端,4,理想运放基本组态特点,输入失调电压,开环电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,频带无限宽,输入失调电流,共模抑制比,干扰和噪声都不存在, 以上各项指标不受任何温度和湿度的影响,5,实际使用的运放特性指标是,(1)电压增益相当大； (2)通频带相当宽； (3)能作反相或同相的差分放大； (4)输入阻抗相当大； (5)输出阻抗很小； (6)直流失调可设计到最小； (7)可进行温度补偿
2、； (8)可加深度负反馈，以改善高频特性； (9)输出级可输出最大额定电流； (10)在差分输入状态下，对共模信号的抑制能力好（即共模抑制比高）。,6,运放实现多种基本电路功能,(1)可用作放大器（如音频、视频放大、交流直流放大、微分放大和对数放大器等等）； (2)可作模拟运算（如加法器、减法器、积分器、微分器、换码器、系数均衡器等等）； (3)可作有源滤波器（如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等等）； (4)可作振荡器（如正弦波振荡器、非正弦波振荡器、多谐振荡器等等）； (5)可作恒定电源（如稳压源、恒流源等等）； (6)可作转换器（如电流电压转换器、频率电压转换器、数模转换器
3、、比较器、电压跟随器等等）； (7)可构成各种非线性电路（如高效检波器、限幅器、高频检波器、对数转换器、乘法器等等）；,7,运放基本参数,(1)输入误差特性参数（输入偏流、输入失调电流、输入失调电压、输入失调电压和输入失调电流温漂 ）； (2)差模特性参数（差模电压增益、最大差模输入电压、差模输入电阻和差模输出电阻）； (3)共模特性参数（共模抑制比、最大输入共模电压、共模输入电阻）； (4)大信号动态特性参数（转换速率、满功率带宽）； (5)电源特性参数（静态功耗、电源电压允许变化范围、电源电压抑制比）；,8,运放的分类,通用型 特殊性（高性能型）,按材料和电路结构分类： 双极型运算放大器
4、结型场效应管输入运算放大器 MOS型场效应管输入运算放大器 CMOS型运算放大器 应用在音响电路中的发烧级运算放大器,9,通用型,目前对通用型的定义还不十分明确，此型的性能尚没有明确的标准。可以大致认为，在不要求有突出参数指标情况下使用的运放就称之为通用型。（104）、（104105）、（105） 目前下列运放被划分为通用型：单运放系列中的A709、A741、MC1456、LM301A、LF351、TL081等；双运放系列中的LM358、RC4558、MC1458、LF353、TL082等；四运放系列中的LM324、MC3403、LF347、TL084等。其中，A709、A741、LM358等
5、通用型运放已被划到使用范围之外。,10,特殊性（高性能型）,低输入偏流型： 双极型运放：25nAlA;场效应管输入型运放：1A50A ;MOS输入型运放：0.1A ;CMOS输入型运放：0.1A 低输入失调电压型 :温度T25时，输入失调电压指标在1mV以下 低漂移型 :在运放的工作温度范围内 ，5V以下 高速型、宽频带型 :转换速率在5V/S以上 高精度型：在其工作温度范围内，运放能够给予保证的输入失调电压、输入失调电流、输入偏流、共模信号抑制比、电源电压抑制比等一系列参数的最大值或最小值。,11,特殊性（高性能型）,高输出电流型：1020mA，如果输出电流达到50mA以上者便可称为高输出电
6、流型运放。在混合型结构的集成运放中，还有输出电流达到1A以上的产品，也就是在音响器材中经常采用的功率放大集成模块，如目前较有名气的LM1875，TDA1514、 LM3886等等 高电源电压（高电压）型典型值是15V，能接纳工作电源电压在20V以上的运放,12,特殊性（高性能型）,低功耗型（微功耗型):一般运放50mW以上，低功耗,在电源电压为15V时，静态功耗在5mW以下，运放在3V以下工作，静态功耗在1mW以下，称为微功耗型 低噪型：一般运放的输入换算噪声电压en在 10VPP以上，而低噪声型运放的输入噪声电压en在2VPP以下，输入噪声密度en在10V/Hz以下,13,符号,传输特性,线
7、性放大区等效电路,正向饱和区等效电路,负向饱和区等效电路,一、理想运放模型,14,理想运放用数学关系式描述：,通常比电源电压低12V,15,分析运放线性区应用的依据： 两个输入端无电流，两个输入端之间开路， “虚开路”； 两个输入端“虚短路”。,理想运放特性（线性区）,电路中必须存在负反馈,16,分析运放饱和区应用的依据： 两个输入端无电流，两个输入端之间开路； 比较两个输入端电压大小。,17,二、集成运放的基本组态,1、反相放大组态,18,闭环电压增益,反相跟随器,虚地：反相输入端没有真正接地，而具有地电位。,实质：电压并联负反馈 特点：输入阻抗和输出阻抗低,19,例1：,已知 ，试画出输出
8、波形。,解：,输出波形,受 的限制,20,例2：,求输出的表达式。,解：利用叠加原理,虚短路,同理,令,若R1=R2，则有：,21,2、同相放大组态,否则饱和,22,电压串联负反馈，输入电阻很大；理想运放，输入电阻为无穷大。用处很广！,同相跟随器,23,3、差分放大组态,反相放大组态和同相放大组态二者结合,输入信号 可以认为是 ，利用叠加原理，分别计算 对输出的贡献 和 ，然后合成，即,24,25,结论：运放特性理想且外接元件参数满足特定条件 （ ），差分运算放大器只对差模输入 信号实现运算，输出无共模分量，且闭环增益仅取决 于外接电阻比。,26,虚短路,差模输入电阻,共模输入电阻,27,三、
9、集成运算放大器的应用,1、信号放大及检测电路 1） 高输入阻抗放大器：同相串联差分式高输入阻抗放大器,28,差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。,29,2）可编程增益放大器,若 接通， 则,可编程增益放大器的基本电路,若 接通， 则,若 接通， 则,若 接通， 则,30,放大器有4种增益水平，其大小取决于外电阻 ，改变电阻大小即可改变增益。,如果在电路中接入译码器B对开关 进行控制，则可以减少控制位数。,31,码控四段转换可 编程增益放大器,为数字选通信号，译码输出后控制 开关 的选通。,32,2 测量放大器（仪器放大器）,均为同相输入，具有双端输入、双端输出形式。
10、为差分组态，实现减法运算。,33,输出与输入之间 成线性放大关系。 调节电位器 即可 方便地改善增益。,电路特点： 输入电阻极高。 共模抑制比极高。 增益调节方便。,34,通用仪用放大器AD524内部结构框图,35,AD524的两种增益设定,PIN增益编程,36,AD524的两种增益设定,电阻增益编程,37,3、信号运算电路,1） 全加器,结论： 对输出的贡献 只决定于 而与 无关，或者说 不 参与运算。,38,例3：,试用一个运算放大器构成 如下运算关系 且要求每路输入电阻不 小于,解：选 则 由 解得,39,2）.积分器和微分器 a）积分器,结论：输出电压与输入电压的积分成正比。 利用积分
11、器可以构成线性良好的扫描电路。,40,例4：电路如下图所示，求输出电压 表达式。,解：,41,b）微分器,将积分器电路中电容和 电阻的位置调换，就构 成微分器。,输出电压与输入电 压的微分成正比。,42,3）.电压比较器,作用：判断输入信号电压之间的相对大小。 输出的两种稳定工作状态： 高电平输出 低电平输出,（1）单限比较器 为参考电平。 当 时， ； 当 时， 。,43,专用集成电压比较器,44,LM139/339系列集成电压比较器，由4个独立的精密电压电压比较器组成，具有低功耗、低失调的特点，输入失调电压2mV，失调电流3nA，可在单双电源下工作。,45,例5：已知 的输出 ， ， ，
12、， 为理想二极管。试分析电路的工作原理，画出传输特性曲线。,解： 只要 中任有一个 为高电平，输出 即 为高电平；,只有 均为低电 平，输出 才为低电平。,46,分析,47,4.波形产生电路 （1）正弦波文氏桥振荡器,桥形 网络接在输出端与 同相输入端之间，则起振条 件应当是相移等于零。,令,则,零相移桥式振荡器,48,相移在某个频率上为零，则虚部为零,满足幅度平衡条件的运放的闭环增益等于3,49,（2）方波发生器,运放：比较器 利用电容两端电压和 相比较，来决定输出是高电平还是低电平。 高电平，电容充电； 低电平，电容放电。 电容两端电压的变化又使输出不断翻转，得到方波。,50,瞬态电路三要
13、素公式,51,对称的方波和三角波发生器电路,输出波形,52,（3）限幅电路,单向限幅器,特点：当输入信号进入限幅区后，输出信号不再跟随输入信号变化，而保持在某个固定值上。,53,传输特性,二极管的接法决定了对输出电压的正向进行限幅。 如果要进行负向限幅，只要将图中的二极管和稳压管都反接一下即可。 若想获得双向限幅效果，只要将二极管换成稳压管，背靠背串接即可。,54,四. 基于运放的有源滤波电路 （1）低通滤波器,一阶有源低通滤波器（反相型）,功能：使低于某一频率(如 )的信号能通过，而高于 的信号不能通过。,55,则,归一化的幅频特性,截止频率,56,目的：提高增益和带负 载能力,同相型,方法
14、：可将RC无源网络 接到运放的同相 输入端,57,缺点：滤波效果不够好。 理想的低通滤波器，其幅 频特性应该呈矩形。,上图所示低通滤波器的幅频 特性，在 时有3dB衰 减；而当 时，以 20dB/10倍频程的速率下 降，衰减不够快。,当 时，其电压增益 为常数； 当 时，其电压增益 为零。,58,二阶有源低通滤波器电路,59,为不同值时对幅频特性的影响,需要指出:当 时， 将趋于无穷大，意味着电路将产生自激振荡，因此 必须小于 ，且要求元器件性能稳定。,60,（2）高通滤波器,将低通滤波器中起滤波 作用的电阻、电容互换 即可变成高通滤波器。 两者是“镜像”关系 。,二阶有源高通滤波电路,61,
15、二阶有源高通滤波电路,幅频特性,62,（3）带通滤波器,功能：允许某一频带内的信 号通过，而处于该频 带外的信号都不能通 过。可以由低通和高 通电路结合而成。,63,典型的带通滤波电路,频带宽度,中心角频率,品质因数,优点：改变 和 的比例就可改变频带宽度而不影响中心频率。,64,（4）带阻滤波器,功能：在规定的频带内信号 不能通过(或受到很 大衰减)，而在其余 频率范围，则信号能 顺利通过。,原理方框图,65,如果是阻止某一频率分量通过，则一般称这种带阻滤波器为陷波器。,66,陷波器,67,实际工程简化应注意的几点：,对输入为交流信号的运放电路，可以将模型中电压源短路，电流源开路。 对反相输入的运放，共模抑制比可忽略不计。 对同相输入的运放，共模抑制比引入的误差就不可忽略。 可以将失调误差和增益误差分别考虑，然后叠加组合，得到总误差。 如果讨论某个(些)参数的影响，则其它参数可视为理想的。,68,TWO、电流反馈运算放大器 (Current Feedback Amplifier，CFA),1、CFA的方框图和符号 输入缓冲级 ：具有高输入电阻低输出电阻的 单位电压增益级 互阻放大级 输出缓冲级 ：具有低输出电阻的单位电压增 益级,
