运放原理介绍

6.2集成运放性能参数及对应用电路的影响6.4集成电压比较器6.3高精度和高速宽带集成运放6.1集成运放应用电路的组成原理第六章集成运算放大器及其应用电路6.1集成运放应用电路的组成原理根据集成运放自身所处的工作状态，运放应用电路分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。线性应用电路-+AZ1Zfvovs1vs2iZ1或Zf采用非线性器件（如三极管），则可构成对数、反对数、乘法、除法等运算电路。Z1或Zf采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。组成：集成运放外加深度负反馈。因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。非线性应用电路-+AvovIVREF组成特点：运放开环工作。由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。6.1.1集成运放理想化条件下两条重要法则理想运放dvAdiR0doRCMRKBW失调和漂移0推论diR0dovAvvv因则vv因则0ivv说明：0i相当于运放两输入端“虚短路”。虚短路不能理解为两输入端短接，只是(v–-v+)的值小到了可以忽略不计的程度。实际上，运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的。同样，虚断路不能理解为输入端开路，只是输入电流小到了可以忽略不计的程度。相当于运放两输入端“虚断路”。实际运放低频工作时特性接近理想化，因此可利用“虚短、虚断”运算法则分析运放应用电路。此时，电路输出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。集成运放基本应用电路反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压并联负反馈vv因则0v反相输入端“虚地”。0i因则f1ii1s1s1RvRvvifoffRvRvvio由图输出电压表达式：svRRv1fo输入电阻1iRR输出电阻0oR因0v因深度电压负反馈，同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联负反馈vv因则svv注：同相放大器不存在“虚地”。0i因1s110RvRvifosffRvvRvvio由图输出电压表达式：vRRvRRvs)1()1(1f1fo输入电阻iR输出电阻0oR因深度电压负反馈，0i因则f1ii同相跟随器-+A+-vsvo由图得sovvvvv因由于1fvAiR0oR所以，同相跟随器性能优于射随器。归纳与推广当R1、Rf为线性电抗元件时，在复频域内：)()()()(s1fosvsZsZsv反相放大器)(])()(1[)(s1fosvsZsZsv同相放大器拉氏反变换)t(ov得注：拉氏反变换时tddst1ds加、减运算电路反相加法器6.1.2运算电路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1vv因则0v0i因则f21iiifo2s21s1RvRvRv即整理得22f11fossvRRvRRv说明：线性电路除可以采用“虚短、虚断”概念外，还可采用叠加原理进行分析。令vs2=0则11fo1svRRv令vs1=0则22fo2svRRv2o1oovvv例如同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：212s1211s2RRvRRRvRv则vRRv)1(3fo))(1(212s1211s23fRRvRRRvRRR减法器Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，则11fo1svRRv令vs1=0，32231fo2)1(RRvRRRvs2o1oovvv11fsvRR32231f)1(RRvRRRs积分和微分电路t)(osdvdCRv有源积分器-+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则则tosdtvRCv1o方法二：利用拉氏变换)()(Z)()(s1fosvssZsv)(1ssvsRC)()/(1ssvRsC拉氏反变换得tosdtvRCv1o有源微分器利用拉氏变换：)()(Z)()(s1fosvssZsv)(sssRCv)()/(1ssvsCR拉氏反变换得dtdvRCvso-+ARC+-vsvo波形变换tvs0输入方波积分输出三角波vot0微分输出尖脉冲tvo0对数、反对数变换器对数变换器-+AR+-vsvoTBEeSsVvIRv利用运算法得：由于oBEvv整理得RIvVvSsToln缺点：vo受温度影响大、动态范围小。vs必须大于0。改进型对数变换器-+A1+-vsvo+-A2VCC+-RLR3R4tovB2R2R5T1T2R1iC2iC1由图1CC2T1CC2TBE1BE2B2lg3.2lniiViiVvvv由于1sC1/Rvi2CC22BCCC2//)(RVRvVi（很小）则)lg(3.2lg3.2sCC12T2CC1TB2vVRRViiVv)lg()1(3.2)1(sT432B43oKvVRRvRRv（T1、T2特性相同）利用R4补偿VT，改善温度特性。vS大范围变化时，vO变化很小。反对数变换器RvIVvoSTBEe利用运算法则得由于sBEvv整理得TsSoVveRIv缺点：vo受温度影响大。vs必须小于0。-+AR+-vsvoT乘、除法器vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ因T1、T2、T3、T4构成跨导线性环，则OZYXiiii分析方法一：由图整理得XXX/RviYYY/RviZZZ/Rvi4OO/RviZYXYXZ4OvvvRRRRv（实现乘、除运算）vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：XSXTBE1o1lnRIvVvvZYXYXZ4vvvRRRRBE1YSYTBE1BE2o2lnvRIvVvvvZSZTBE3o3lnRIvVvvA1、A2、A3对数放大器A4反对数放大器To3o2e4SOVvvRIv6.1.3精密整流电路精密半波整流电路利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成对微小幅值电压进行整流的电路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2vI=0时vO=0D1、D2vO=0vI0时vO0D1、D2vO=0vI0时vO0D1、D2vO=-(R2/R1)vI工作原理：vOvI-R2/R1传输特性vItvOtvIR2R1-输入正弦波输出半波精密转折点电路当v-0，即vI-(R3/R1)VR时：当v-0，即vI-(R3/R1)VR时：vo-+AVRR1voR2RL+-D1D2R3vI由图31R331I1RRVRRRvRvvO0D1、D2传输特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO0D1、D2vO=0则)(R13I32OVRRvRRv则精密转折点电路实现非线性的函数R/R1vo1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvo2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3Rvo3-+A4vOR)(R11r1I1O1VRRvRRv)(R22r2I2O2VRRvRRv)(R33r3I3O3VRRvRRv)(O3O2O1O3vvvvR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3传输特性6.1.3仪器放大器仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。特点：KCMR很高、Ri很大，Av在很大范围内可调。三运放仪器放大器vv由G2I1IGRvvi得0i由)(G21G2o1oRRRivv得由减法器A3得：2o656341o34o)1(vRRRRRvRRv若R1=R2、R3=R5、R4=R6整理得)21(G342I1IofRRRRvvvAvvI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo2有源反馈仪器放大器可证明GS4432I1IofRRRRRvvvAvvI1+-A3R1-+A1RGvOIO+-A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2差放T3、T4差放A3跟随器A2跟随器A1放大器采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可构成低噪声、高精度、增益可调的仪器放大器。仪器放大器的应用仪器放大器单片集成产品：LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。例：仪器放大器构成的桥路放大器温度为规定值时RT=R路桥平衡vo=0。温度变化时RTR路桥不平衡vo产生变化。仪器放大器RGRTRRRtoVREFvo6.1.5电流传输器电流传输器：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。电流传输器电路符号及特点YXZCCvXvYvZiY=0iXiZY输入端：iY=0，即RY；X输入端：vX=vY，且vX与iX大小无关，RX0；Z输出端：iZ=±iX，且iZ与vZ大小无关；电流传输器构成的模拟信号处理电路YXZCCviRLiXiOR+-互导放大器互阻放大器电流放大器iYXvvvRvii/XXoRviA/1/iogYXZCCisRLiXiOR2R11SYXRivv2XXo/Rvii21Soi//RRiiAYXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+-i1ZiiRivv1Z2YoRivAior/负阻变换器YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1RL21X1XiRivv12Y2ZiRviiL1XL1Z2YRiRivL21iiiRRRivR6.2集成运放性能参数及对应用电路影响6.2.1集成运放性能参数Avd高(80~140dB)，Rid高(M)，Rod低(200)vidRidvO+-v+v-Avdvid+-Rod+-RicRicIIBIIBIIO2IIO2+-VIO+-AvdvicKCMR集成运放电路模型差模特性KCMR高(80~120dB)，Ric高(100M)共模特性输入直流误差特性IIB(10~100A)，VIO(mV)，IIO(为IIB的5%~10%)大信号动态特性转换速率SR，全功率带宽BWP6.2.2直流和低频参数对性能的影响Avd、Rid、Rod为有限值的影响运放应用场合不同，各项性能参数影响也不同。因此工程估算时，可针对不同场合，有选择地分析运算误差。)1(dL1fodffvvvARRRRAA-+AR1Rf+-vsvoRLvidRidvO+-v-Avdvid-+Rod+-R1Rfvs+-RL可证明其中idf11////RRRRodfLL////RRRR1ff/RRAvAvd对精度影响最大。Avd越大，运算误差越小。KCMR、Ric为有限值的影响-+AR1Rf+-vsvoRL可证明其中Avd、KCMR越大，同相放大器运算精度越高。由于同相放大器输入端引入了共模信号，因此必须考虑KCMR的影响。RicvO+-v-AvdvidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-AvdvicKCMR)11(/1CMRdfffKAAAAvvvv1ff/1RRAv输入偏置电流IIB对性能的影响-+AR1Rf+-vsvoR+=R1//Rf则IIB在外电路反相端产生的直流电压:则IIB在外电路同相端产生的直流电压:RIVIBRIVIB设R-、R+分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。2/)(B2B1IBIII输入偏置电流