运算放大器与有源滤波器更新

《运算放大器与有源滤波器更新》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运算放大器与有源滤波器更新（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、运算放大器和有源滤波器运算放大器的基本结构图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)， Iib :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

2、运放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1n A0.1uA，在实际使用中一般要求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

3、调电压，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）a VIO:是指在给定的温 度范围内，输入失调电压的变化和温度变化的比值。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 土 1020卩V/之间，精密运放的输 入失调电压温漂小于 1 1V/5、输入失调电流的温度漂移（简

4、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和温度变化的比值。 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和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和 对应的输入端电流变化量的比值。差模

5、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 压变化量和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(Com mon Mode Rejectio n

6、 Ratio), CMRR :放大器对差模信号的电压放大倍数Aud和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CCMRg，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。10、 开

7、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，20lg 仏Aod =Vi2 )不同功能的运放，Aod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管约为一 5V左右，而横向的BJT可达一 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， 对于

8、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

9、电流源，例如：LM3080 o(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 1，输入失调电压Vos不大于10mVo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： F3030。(2) 低漂移型：对这类运放的要求是：输入失调电压温漂巴兰2V/ C，dT输入失调电流温漂 独200卩人/七，AodZ120dB, KcMRR110dBo实 dT现这些功能的措施通常是，在电路结构上除采用

10、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0.14V/9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SR30V/七，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A/D和D/A转换器、高速采样-保持

11、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 夕卜延层以提高电阻值，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输出功率，在电路设计和制作上

12、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UVp-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-p1260.30.62.8NJM458050051000.8uVrms1105150.66NJM5532500102001008102

13、.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使用于对音频要求比较高的场合，大多数使用在 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 失调 电压(mV)输入失调 电流(nA)输入偏值 电流(uA)转换速率V/us共模 抑制 比(dB)差分 增益 误差(%)差分 相位 误差(度)0.1dB平坦增、 T【1 丿、 益带宽(Hz)成本(元)AD80911.71001.4170880.030.0310

14、M1.81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使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和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，和输入信号一起共同作用于放大器的输入端，称为反馈。（2）正反馈和负反馈：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 XivXd，则为正反馈， 若XiXd，则为负反馈。（3

15、）直流反馈和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和电位的极性， 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=Vi - Vf，Vf和Vi同极性，所以VdvVi，净输入减小，说明该