2_2运算放大器的应用原理

2020/1/2812.2运算放大器的应用原理本节主要介绍了理想放大器的特性反相放大器的闭环特性同相放大器的闭环特性实际运算放大器的误差分析2020/1/2822.2.1理想运算放大器是运算放大器的理想模型，它的各项指标都是理想的。理想运算放大器的主要条件是：开环电压增益→∞；输入阻抗→∞；输出阻抗→0；输入失调电压→0；共模抑制比→∞；带宽→∞。2020/1/283理想运放两个重要特性（一）：“虚短”：Ao→∞因为即理想运算放大器在负反馈时，两输入端之间的电压差为零“虚短”的实质0oonpAVVVAo→∞2020/1/284理想运放两个重要特性（二）“虚断”由于其输入阻抗无穷大，所以输入偏置电流Ii及信号电流均为零。“虚断”实质2020/1/285虚短、虚断的实质注意“虚断”、“虚短”的实质。理想运放的这两个特性是进行运放电路分析的重要工具，应灵活掌握。2020/1/2862.2.2理想运算放大器的闭环特性运算放大器通常工作在闭环状态下一、反相输入VRVA-+pnoiRrFI1IFiI图2-5反相输入放大器2020/1/287反相输入放大器0pnVV由“虚短”：01I由“虚断”：ifIIiorFVVRRiirVIRVRVA-+pnoiRrFI1IFiI图2-5反相输入放大器2020/1/288反相输入放大器的特点闭环增益：输入阻抗：rFiofRRVVArrniiiiinRRVVVIVZVRVA-+pnoiRrFI1IFiI图2-5反相输入放大器2020/1/289二、同相输入同向输入放大器电路如图所示：VRVA-+pnoiRrFI1IFiI图2-6同相输入放大器2020/1/2810同相输入由虚短：ipnVVVriFioRVRVV或由虚断：01IrnFnoRVRVV0VRVA-+pnoiRrFI1IFiI图2-6同相输入放大器2020/1/2811理想运算放大器在同相输入时的特性闭环增益rFiofRRVVA1输入阻抗:Zin=∞输出阻抗:Zout=0VRVA-+pnoiRrFI1IFiI图2-6同相输入放大器2020/1/2812表2-1理想运放的闭环特性元件是Zr和ZF同相输入和反相输入的区别（各自的特点）1.电压增益2.共模输入电压3.输入阻抗4.输出阻抗2020/1/28132.2.3实际运放的误差分析由于实际运放各参数的非理想性造成运算误差分析方法：把某项指标作为实际参数，其余指标作为理想参数逐项分析分Ao，Vos，Ios，CMRR以及频率的影响进行误差分析2020/1/2814一、开环电压增益的影响此时可假设，除开环电压增益，运算放大器的其它指标是理想的。可分成反相输入和同相输入等电路形式。2020/1/28151．反相输入放大器当放大器的开环增益有限时：oonpAVVV＝0OOnAVV2020/1/2816开环电压增益的影响－反相输入假设放大器的输入阻抗无穷大，即流过Rr与RF上的电流相等，则FOOOrOOiRVAVRAVVFiIIFnrniRVVRVV0oonAVV2020/1/2817反向输入闭环增益oFrrARRRLG令LGRRArFf11'得环增益orForFiofARRARRVVA11'化简2020/1/2818闭环增益的另一种形式LGRRArFf11'LGAf11'理想增益2020/1/28192.同相输入放大器放大器的开环增益有限，则opninoVVVVVAooinAVVV即：设放大器的输入阻抗无穷大，即流过Rr与RF的电流相等，则整理得到同相输入时的闭环增益为：FnornRVVRVorForFiofARRARRVVA111'ooinAVVVoFrrARRRLG整理得：令实际增益与理想增益的相对误差为δ，则：LGLGRRArFf11111'理想增益LG1实际增益实际增益理想增益oFrrARRRLG(1)由开环增益有限引进的误差对同相输入与反相输入放大器都等于环增益的倒数。(2)环增益不但与放大器的开环增益有关，还与外接反馈电阻有关。(3)开环增益越大，越小，误差也越小。例如，当开环增益为Ao=100dB，闭环增益Af′=40dB时，增益误差为0.1%。小结oFrrARRRLGLG1'11fALG理想增益rFRR2020/1/2823二、输入失调电压的影响仅考虑输入失调电压时，实际运算放大器可用上图来等效。其中虚线右边是理想运算放大器。因为Vos的极性是随机的，图中的极性是任意规定的。VA-+opn+-Vos图2-9输入失调电压的等效电路当接成闭环形式时BRVA-+oRrFnp+-Vos图2-10闭环放大器的失调设放大器的开环增益与输入阻抗都是无穷大。则：0pnVVoFrrosBVRRRVVosrFoVRRV1即BRVA-+oRrFnp+-Vos2020/1/2826说明上式的推导过程并未涉及输入方式问题，所以它对同相输入及反相输入都适用。2020/1/2827三、输入失调电流的影响设运算放大器二输入端的偏置电流分别为IB1和IB2，接成闭环之后的电路如图所示。在分析输入失调电流的影响时，假设放大器的其它参数都是理想的。根据叠加原理，图2-11的输出电压应由两部分叠加而成：一部分是IB1引起的，一部分是IB2引起的。而且在分析其中的任一个时，都可把另一个视为零。IB1IB2首先看IB2的影响。IB1=0IB22npBpVVIR2(1)FoprRVVR221FoBPrRVIRR再看IB1的影响。IB1IB2=00npVV0rI1FBII1onFFVVIR11oBFVIR221FoBPrRVIRR12121FoooBFBPrRVVVIRIRRIrIF取则//rFprFrFRRRRRRR12()oBBFosFVIIRIR12121FoooBFBPrRVVVIRIRR2020/1/2832结论：失调电流的影响当：//PFrRRR失调电流引起的误差为：oosFVIR2020/1/2833开环增益不理想LGAf11'理想增益失调电压1FoosrRVVRLGAf11'理想增益失调电压失调电流oosFVIR2020/1/2834由输入失调电压和输入失调电流引起的输出失调为1FoosFosrRVVRIR将其等效到输入端：ofVA2020/1/28351.反相端输入1orosrosfFVRVRIARFfrRARVRVA-+oiRrFnpR=R//RprFIRrososFrVRR)(12020/1/28362.同相端输入1FfrRARoosposfVVRIAVRVA-+oiRrFpnposIRVos2020/1/28373.失调误差的温度漂移1FoosFosrRVVRIRososVVTTososIITT2020/1/2838失调误差的温度漂移1ososFoFrVIRVTRTRTT2020/1/2839说明Vos、Ios可正可负，因具体的放大器而异。Rr和Rp既包括外接电阻也包括信号源内阻。当信号源内阻很大时，由输入失调电流引进的误差是主要的；反之，输入失调电压引进的误差是主要的。输入失调电压及输入失调电流均随温度、时间和电源电压而变。存在漂移。2020/1/2840四、由共模抑制比引进的误差在许多应用中，运算放大器二输入端的信号是同向的，即都是正或都是负的。此时将二信号的平均值定义为共模信号，以Vc表示：二信号的差叫差模信号，以Vd表示。即：12cpnVVVdpnVVV2020/1/2841共模抑制比有限带来的误差放大器的输出电压odefdcomcodcVAVAVAVCMRVRdefcomAAVA-+opn+-CMRRVC图2-14共模误差模型2020/1/2842电压跟随器的共模抑制比放大器的共模输入电压输出电压为ooioCVVVCMRRVA2pnCiVVVVVA-+oVinp+-CMRRVC+-解得说明：在作电压跟随器时，开环增益与共模抑制比是同等重要的。1111oioCMRRVVA2020/1/2845五、频率的影响在直流和低频下，运算放大器的开环增益是常数。随着频率的升高，开环增益下降。开环增益在零分贝以上，运算放大器的幅频特性往往有一个、两个甚至三个极点。相位补偿是要运放在零分贝以上只有一个极点2020/1/2846单极点放大器的频率特性*()1ocAAjfjf2020/1/2847闭环放大器的方块图由闭环放大器的方块图可得：闭环增益*()oioVVVAj()()1()oofioVAjAjVAj由（2-60、61）两式求解，得到：1()11ofocAAAjfjAf令得1ofoAAACoFCfAf)1(()1fFCAAjfjfAf是直流和低频下的闭环增益，而fFC是闭环频率特性的极点频率，或闭环－3dB带宽。1()11ofocAAAjfjAf2020/1/2851说明闭环拓宽了放大器的频率特性；本节的其它内容可一般了解。对于Vos、Ios、Ao、CMRR造成的误差要会熟练分析计算。