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1、电子系统设计与实践,第二讲 运放及其应用,运放及其应用,一.运放分类 集成运放按功能分： A.通用运放: 如LM358,LM324，NE5532A,TL064 B.斩波放大器: OP177, AD8551 C.差分放大器：AD8137 D.仪器放大器：INA128 E.隔离放大器：AD215, ISO121 F.增益可变或可编程放大器： PGA102, PGA207,运放及其应用,G.音频功率放大器：AD547T, LM1875T，TPA0211 H.视频放大器：AD8051，OPA3693 I.射频放大器：AD8353，THS4271 J.对数放大器：LOG101 K.特殊放大器：XTR11
2、2(热电阻传感器用）RCV420(4-20mA接收）,运放及其应用,二.集成运放的主要技术指标 集成运放有很多技术指标,但可以归纳成四大类: 速度类:如GBW, SR 精度: VIO, IIB 增益和噪声抑制能力: CMRR, GAIN 电源: VCC, IQ,运放及其应用,1.单位增益带宽GBW (增益带宽积)单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为0dB（1倍）条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降 3db（或是相当于运放输入信号的0.707倍）时所对应的信号频率。GBW = Avd fHAvd为中频开环差模增益fH为上限截止频率(-3dB),运放及
3、其应用,举例说明：从技术手册上查询可知，TL064的，因此如用TL064设计一个放大器，放大器的增益为：d时，则d时，则由上面分计算可知，当被放大的信号频率较高时，放大器的增益不宜过大，否则会造成信号失真,2.转换速率（也称为摆率）SR运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。定义为：转换速率SR反映了运放对于高速变化的输入信号的响应情况。对于一般运放其转换速率SR10V/s。目前的高速运放最高转换速率SR可达6000V/s。,举例说明:对于TL064来说，其SR=3.5V/s,因此当输入信号频率f=100 kz
4、时，其最大不失真输出电压 :通用运放的SR一般为1-10V/s,而高速运放可达 1000V/s. 如LM324:它的SR=0.5V/s,如把它接成电压跟随器，当输入信号频率f=100 kz、幅度超过0.8V时，则它的输出会出现失真。,3.输入失调电压Uio由于集成运放的输入级电路参数不可能完全对称，所以当输入电压为零时，输出电压UO并不一定为零。为使得集成运放的输出端电压为零，需在输入端额外增加一个补偿电压，将该补偿电压定义为输入失调电压,即有：输入失调电压是加在两输入端之间，使输出为零所需要的电压。输入失调电压与外电路无关，由运放自身性能所决定。,4.温漂电压：Uio/单位温度变化所引起的输
5、入失调电压。如：LM324,它的温漂为 1V/。 5.输入失调电流IIO输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。运放对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如10k或更大时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。,6.输入偏置电流IIB输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流的平均值.即,一般来说， 此时：故由于输入偏置电流IIB的存在，当R1R
6、2时，将产生较大的输入和输出误差电压。例如：LM324运放的IIB=20nA，若取R1=10k，R2=9k，放大器闭环增益Gain=100。 则,图1-2 集成运放的输入偏置电流,7.共模抑制比CMRR共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。CMRR是衡量输入级差放对称程度及表征集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。一般运放的共模抑制比在70130dB之间。8.电源电压+VCC/-VEE集成运放必须外接电源才能工作，电源电压的大小决定了最大输出电压的大小。集成运放有两种供电方式：单电源供电和对称双电源供电。单电源一般为5-32V；双电源一般为3V-18V。,9.静态工
7、作电流静态电流指在一定的电源电压供给范围内，输入信号为零时，运放自身所消耗的电流。例如，OPA 277的静态电流为0.024mA。一般来说，希望运放的静态电流越小越好。 10.输出峰-峰值电压UOmax当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前电源电压供电时能够输出的最大电压幅度。需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载、电源电压、工作频率有关。输出电压：（V-）+4 to （V+）-4 11.最大共模输入电压UIcmax当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB 时所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。输入电压：（V-）
8、+5 to （V+）-5,12.输出电流运放的输出电流反映了运放带负载的能力。常见运放的输出电流为几十毫安，如LM358, Io+ = 20mA, Io- = 30mA 13.差模输入阻抗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。双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧；场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于1000兆欧。放大器输入阻抗大，则对前级影向小。 14.输出阻抗输出阻抗定义为，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
9、阻。输出阻抗小，意味着运放带负载能力强。,三. 典型运放介绍1.普通运放,注意：输出最大电压与运放供电电压、负载电阻、工作频率有关！,常用运放一览表,运放主要生产商： WWW.ANALOG.COM WWW.TI.COM WWW.NATIONAL.COM WWW.ST.COM WWW.ONSEMI.COM,四、集成运放的使用要点 1、电源供电方式注意单、双电源，极限供电电压。 2、集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算电路输入信号为零时，输出往往不等于零。,集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。
10、为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。,4集成运放的保护问题集成运放的安全保护有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。,五单元电路设计 仪器放大器仪器放大器又称数据放大器：是一种高性能放大器，它一般具有高增益、高共模抑制比、高精度、高速等特点。仪器放大器常用在输入级作信号处理。 （1）.普通运放构成的仪器放大器,如需输出不含共模分量，输出级须完全对称，则要求：R4/R6=R7/R5,如令R2=R3,R4=R5=R6=R7，则得：故改变R1，即改变放大器增益Ad,设计要点: A1和A2级可设计成高增益，而不致引起较大的直流失调。 输出级A3尽量用小电阻，以便减少直
11、流失调（Ib引起的） R4R7阻值要尽可能相等 A1和A2要选同一芯片上双运放，这样可利用电路的对称性减少温漂引起的影响。,（）集成运放INA128介绍,内部结构图,可编程增益放大器 （1）、用数控电位器实现可编程增益放大器,数控电位器X9312技术参数: Vcc=5V, Ic=1mA R=50k 电位器可调级数:100级, 阻值存贮 按键式3线控制 /CS /INC U/ /D 阻值 L Pulse H 升 L Pulse L 降 H 不变,（2）集成可编程增益放大器（PGA204）,A1A0=00, G=1 A1A0=01 , G=10A1A0=10, G=100 A1A0=11, G=1
12、000,、隔离放大器在医用仪器等产品中需要对被测信号进行电气隔离，电气隔离有两种方式：用光耦隔离,用于低频 用变压器磁隔离 ,用于高频 （1）用线性光耦隔离TIL300技术指标：BW:200KHz VF=1.25V IFmax=50mA隔离电压3500V 线性度：3,K1=,=,这里K3=1，由手册给定。而IF=1nA20mA。经实测全量程内（02.5V）线性度在0.2%内。,设:,（2）专用隔离放大器（AD210）,应用电路:,、精密度整流电路一般二极管硅管压降为0.7V,锗管为0.3V,肖特基二极管压降为0.2V.并且从二极管转移特性可知，它是非线性的。因此在实际的交直转换电路中，若直接用
13、二极管整流将造成严重的非线性。为此用运放构成有源整流电路，实现精密线性整流。所整流的信号大小为：0.7V/Av;若取Av=1000，则能对0.7mV的信号进行线性整流是完全可能的。,（1）反向精密半波整流器当Ui为正半周时，U0,Uout0时，为正半周，D1截止，D2导通。Uo= 当Ui0时, VHW=-(R2/R1)VIVI0VV0=-AN*VI VI0V0=-A*VI VI0,VHW,VI,VO,、电压电流转换电路,实用电阻取 ， s 下面证明,、施密特触发器,当输出电压最大值为13V时 VTH=+5V， VTL=-5V,（1）反相施密特触发器,（2）同相施密特触发器,同样，当输出电压最大值为13V时 VTH=+5V， VTL=-5V,
