运算放大器(经典)

1第七章集成运算放大电路及其应用2第一节集成运算放大电路概述一、集成运算放大电路：多用于各种模拟信号的运算。1、集成运算放大电路的结构特点2、集成运放电路的组成及其各部分的作用34集成运放的主要性能指标1.差模开环放大倍数：AOd2.共模抑制比：KCMR3.差模输入电阻：RId4.输入偏置电流：IIB5.－3dB带宽:fH6.输入失调电压及其温漂：UIO,dUIO/dT7.输入失调电压及其温漂：IIO,dIIO/dT5理想运放的主要性能指标1.开环差模放大倍数：AOd→∞2.差模输入电阻：Rid→∞3.输出电阻：R0→04.共模抑制比：KCMR→∞5.－3dB带宽:fBW＝fH→∞4.输入偏置电流：IIB→06.输入失调电压及其温漂：UIO,dUIO/dT→07.输入失调电压及其温漂：IIO,dIIO/dT→06集成运算放大电路的电压传输特性U0=f(UP-UN)7第三节集成运放的两个工作区•线性放大区：曲线的斜率为电压放大倍数•非线性放大区：输出电压只有两种可能，＋UOM和-UOM8运放工作在线性放大区的特点1.当运放工作在线性放大区时：引入（深度）负反馈集成运放的差模开环放大倍数AOd有：其中AOd非常高140dB∞因而有：UP-UN＝0或UP＝UN“虚短”又因为：则：“虚断”IIUiRidU0=AOd(UP-UN)0II9运放工作在非线性放大区的特点1.当运放工作在非线性放大区时：开环或者引入正反馈集成运放的差模开环放大倍数AOd∞则两个输入端只要有无穷小的输入差值电压，输出电压就可以达到最大值或最小值，即输出电压与输入电压不再是线性关系，此时的电压传输关系为：由此时的电压传输关系可以看出(1)当：UP＞UN时，UO=+UOM当：UP＜UN时,UO=-UOM(2)又由于则：“虚断”IIUiRid0II10第四节基本运算电路的原理图5-1反相比例运算电路1.反相比例运算：由于：U+=U-I+=I-=0所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，故:Ii=IfifoVRRV11RRAff11基本运算原理电路图2.同相比例运算：由于：U+=U-I+=I-=0由于反相输入端不再为“虚地”点，且输入电流Ii=0，故:IR=If即：ifoVRRV)1(1)1(1RRAff又称为：电压跟随器！123.反相加法运算电路：•如图5-2所示。•由于：U+=U-•I+=I-=0•所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，反相加法运算电路的函数关系式为：若取R1=R2=R，则有:2211ififoURRURRU)(211iifoUURRU图5-2反相加法运算原理图运算中，调节某一路信号的输入电阻时，不会影响其他输入电压与输出电压的比例关系，因而调节方便。134.减法运算电路：如图6-3所示：实际应用中，要求R1=R2,R3=Rf，且须严格配对，这有利于提高放大器的共模抑制比及减小失调。运算关系为：100K)(121iifoUURRU图5-3减法运算原理图145.积分运算电路•如图6-4所示：•由于：U+=U-•I+=I-=0•所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，•积分运算电路的运算关系式为：积分运算电路dtURCdtURCdtURCUtiitio0011115tiodtURCU01•设UC(0)=＝O•则dtURCUio01166.微分运算电路：微分运算电路：17•由于：U+=U-•I+=I-=0•所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，•积分运算电路的运算关系式为：18第五节有源滤波电路•在一些实际的电子系统中，它的输入信号往入因受干扰等原因而含有一些不必要的成分，我们就应当设法将它衰减到足够小的程度；而在另一些场合，有用信号将与别的信号混在一起，我们就应设法把有用信号选择出来。而解决这些问题的有效措施就是采用有源滤波电路。19一、基本概念（1）滤波电路：即对工作信号的频率具有选择性的电路。其基本功能是：让特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其它频率信号通过。也就是对其它频度信号要起衰减作用。比如：我们前面讲到的低通电路，高通电路等。（2）滤波器分类a.按信号类型分：模拟滤波器和数字滤波器。b.按照滤波器电路的工作频带来分：20低通滤波器（LPF）：频率低于截止频率fp的信号通过，高于fp的则被衰减；高通滤波器（HPF）：频率高于截止频率fp的信号通过，低于fp的则被衰减；带通滤波器（BPF）：频带范围在fp1和fp2之间的信号通过，其余被衰减；带阻滤波器（BEF）：频带范围在fp1和fp2之间的信号被衰减，其余可以通过。（带通滤波器常用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信噪比，带阻滤波器则用于已知干扰或噪声频率的情况下，阻止其通过）。全通滤波器（APF）：对于频率从0到∞的信号具有同样的放大倍数数，但对不同频率的信号将产生不同的相移。21c.按电路构成中是否有有源器件来分：无源滤波器和有源滤波器d.按工作信号来分：模拟滤波器和数字滤波器e.按截止频率fp附近的幅度特性和相频特性的不同，滤波电路又分为:巴特沃斯（Butterworth）滤波器切比雪夫（chebyshev）滤波器贝塞尔（Bessel）滤波器等。22（3）滤波器的幅频特性：通带：允许通过的频段称为通带，阻带：将信号衰减到零的频段为阻带，过渡带：Avp在通带和阻带之间存在过渡带。Avp：通带放大倍数，等于通带内输出电压与输入电压之比；fp：通带截止频率：使的频率；显然，过渡带越窄，电路的选择性越好，滤波特性越理想。||707.0||AvpAv232425（4）分析方法：•分析滤波电路，就是求解出电路频率特性，这意味要解出Avp、fp和过渡带的斜率。26二、有源滤波电路的引入•无源滤波电路：仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波器。•有源滤波电路：电路中不仅由无源元件，还有有源元件（晶体管、场效应管、集成运放）组成，称为有源滤波器。•从无源低通滤波器看：•在频率响应分析中，我们已推出无源低通滤波器的一些指标，如：通带放大倍数Avp（对低通，指f=0时的电压放大倍数）2728无负载时：有负载时：fpfjpvAfpfjvA111LLioRRRvvpvAcRRjwRRRjwcRRjwcRvvAvLLLLLio)//(11//1//cRRpfL)//(21'fpfjpvAvvvAio11iovvAvpRcfp212129结论•加上负载后，通带放大倍数|Avp|↓，通带截止频率fp↑，也就是说，无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这是不符我们处理信号要求的。•为改善无源滤波电路的这一缺陷，我们引入有源滤波器。302、有源滤波电路•为改善无源滤波器的负载对滤波特性的影响，采取的措施是：•在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻，低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，这样即构成有源滤波电路，如图：31fpfjAvpjwRcVVVVvAii1110表明：在集成运放功耗允许的情况下，负载发生变化时，Uo总是随差UP变，放大倍数的表达式不变，频率特性也不变。即负载不影响滤波特性。32有源滤波电路特点：有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在适合直流电源作用下才能正常工作；不用电感，故体积小，重量轻，不需加磁屏蔽；可加电压串联负反馈，使Ri高、Ro低，在输入与输出之间有良好的隔离性。除能滤波外，还能将信号放大，而且AU易调节。不适宜高电压大电流的负载，只适用于信号处理。不适宜高频范围，一般使用频率在几十KHz以下。33三、有源低通滤波器1、一阶低通：对低通，Avp指f=0时的电压放大倍数。电路构成：2、二阶低通滤波器：由于一阶电路的过渡带宽，幅频特性最大衰减率仅为-20dB/十倍频。故可在一阶电路基础上增加RC环节，来增大衰减斜率。如图：343536辐频特性：不理想：fo附近，衰减率不够高虽然二阶LPF比一阶的幅频特性衰减率陡直得多，但还不算理想，如果要改善电路趋于理想，可设计二阶压控电压源LPF。压控电压源滤波电路：因为该电路中同相输入电位控制由集成运放和R1、R2组成的电压源，故称之为压控电压源滤波电路。3、反相输入低通滤波器4、高阶低通：由多个低通滤波器串联起来，可得高阶低通滤波器。3738四、高通滤波器（HPF）•高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，将LPF中滤波环节的电容、电阻对换就可得各种高通滤波器。•1、Avp：对HPF，当f足够高时，C1、C2视为短路，则，对高通：Avp指f足够高时的电压放大倍数。•2：R引入反馈，当参数合适时为正反馈，在fo附近可增大放大倍数。•3：高阶HPF可以由几个低阶HPF串联而成。ffAvpjffAvpvAoo)3()(12ffQjffAvpvAAvpQoo1)(1:3123940五、带通滤波器•将LPF和HPF相串联可以构成带通滤波器（BPF），41典型电路：42六、带阻滤波器BEF•常用两个RC网络（一个LPF和一个HPF）相并联构成无源BEF，再与集成运放级联或有源BEF。•典型电路：43