模拟电子设计技术--运算放大器

模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系运算放大器及其基本应用差动输入级差动输入级输出级偏置电路运算放大器是一种高增益多级直接耦合放大器模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系1运算放大器的基本特性VPVNIPINVOIOVCCVEEICCIEEVPVNVOVCCVEE2374615输入偏置电流IIB:表示了运放输入端正常工作时需提供的偏置电流，它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻。IIB愈小，输入电阻愈大，芯片的温漂和运算精度愈高。理想运放为0。输入失调电压VIO:反映了运放芯片本身输入级差分对管的对称程度，所以当VI=0时，VO≠0。为了使输出为0，等效在输入端施加的补偿电压（失调补偿调零电位器不起作用时）即为VIO。愈小愈好，理想运放VIO=0。输入失调电流IIO:当运放的输出电压为零时，将两输入端偏置电流的差称为输入失调电流。IIO=IP-IN。模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系运算放大器的基本特性VPVNIPINVOIOVCCVEEICCIEEVPVNVCCVEE2374615LM741donpooVVVVVA开环增益:直接影响运算精度和许多特性指标，Ao愈大愈好。理想运算放大器Ao为无穷大。模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系差模输入电阻rid:指的是输入端加入差模信号时，运放芯片的输入呈现的电阻。rid愈大，意味着从信号源（或前级电路）提取的电能愈小，对信号源影响愈小。也就是rid对信号源而言，就相当于它的负载。理想运放的rid为无穷大。理想运放输出电阻ro。理想闭环电路ro=0，ro表征器件对负载的驱动能力。带宽BW，又称单位增益带宽或增益带宽积。指的是当运放的闭环增益为1（即0dB）时的带宽。一般增益与带宽的乘积为一常数，故闭环增益愈高，实际运放电路的带宽愈小。运放的BW主要由芯片内部的器件与电路决定。理想运放的BW为无穷大。供电电源:单极性，双极性。理想运放供电不受限制。功耗PC：理想运放为零模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系共模抑制比CMRR：反应了芯片对共模信号的抑制能力）（dBAACMRRocodlg20输入噪声Vn：每个运放都有内部寄生噪声，运放的噪声是通过在输出端测量然后换算到输入端的.噪声是一个随机交流信号，包含全频率段的频率成分，而且它是运放固有的，无法通过在输入端加上相反的电压来消除。为了减小模拟电路的噪声，我们通常能做的有：1）选择噪声较小的运放。2）想办法减小模拟地的噪声。3）使用高PSRR的线性电源管理芯片单独为模拟电路供电，以减小电源上的噪声。4）对信号进行滤波。5）尽量使用10K以下阻值的电阻，因为电阻会引入热噪声，引入的热噪声大小与电阻值成正比。模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系电压噪声频谱密度是指每平方根赫兹的有效(RMS)噪声电压（通常单位为nV/）Hz电源抑制比PSRR：输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值，常用分贝表示转换速率（摆动率）SR：运放在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能达到的最大变化率，单位：V/uS模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系调零消除失调误差运放调零的基本原理：在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可。没有调零端的，可采用同相调零或者反相调零的方法。VCC-VEEViRW47K100K-VEEVCCRP=R1//RFRFR1VCC-VEEViRW47K100欧-VEEVCCRFR1200K模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系运算放大器的基本特性•2．运算放大器的一个重要特性—三“虚”–虚断–虚地–虚短模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系1基本放大电路1RRAFVF放大倍数:输入电阻:输出电阻:Ri=R1Ro=0UiUOR1RFRP反相放大器UiUOR1RFRP同相放大器UiUORP电压跟随器11RRAFVFRi=ricRo=0Ric:运放同相端对地共模输入电阻，一般为108欧。平衡电阻:RP=R1//RF模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系2差分输入放大电路输入输出关系:Ui1Ui2UoR1R2R3R4112243412)1(iioURRURRRRRU如何实现Uo=(Ui2-Ui1)K?R1=R3,R2=R4模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系2差分输入放大电路输入输出关系:GiioiiRRUURUURUU2121111URUi1R1R2RGR2Ui2UoR1Uo11222121RUURUURUUoiioGiiRGiioVRRRRUUU)21)((12112Ui1Ui2输入电阻无穷大,便携式电子产品中应用模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系2差分输入放大电路输入输出关系:32221311RUURUURUUoiWiiio1212)(RRUUUooo)21)((31212WiioRRRRUUUUoR1R2R1R2R3R3RwUi2Ui1Uo1Uo2R1=R2)21)((312WiioRRUUU输入电阻无穷大,完成双极性到单极性放大.常用于仪表放大电路模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系3精密整流放大电路Ui大于零时,二极管导通情况:ioURRU121R1UiR2R3R4R5R6R7D1D2UoUo1D2导通,D1截止iiooURRRRRRURRURRU)(35142535145Ui小于零时,二极管导通情况:D1导通,D2截止01oUioURRU3535351425RRRRRRRR如果:ioURRU3531422,RRRR模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系4微分电路foiRUdtdUC1RfUiR2UoC1dtdUCRUifo1反馈电流设置在0.1~0.5mAmax1)(dtdUUCRioMf缺点:信号频率增加时,电容容抗减小,放大倍数增加.对高频噪声敏感.CUiR2UoRfRC1实用微分电路RC1=RfC模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系5积分电路1RUdtdUCiofifoUCRU11Cf小于1uFdtUUCRioMf11缺点:低频时,电容容抗很大,放大倍数增加.实用积分电路R10R1CfUiR2UoR1CfUiR2UoR1R模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系6比较器UiUREFVCC-VEERDZVREFUiVREFUi模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系7窗比较器URHURLUiR1R215VVRHUiVRLVRHUiVRL模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系8RC正弦波振荡器RRCCRFR1文氏电桥RCfo21振荡频率起振条件稳定条件311RRAVF311RRAVF模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系8RC正弦波振荡器RRRRR5.0,421双T正弦波振荡器振荡频率R2R1RFR313.6K150KC2C4R46.8K6.8K3.4K47nFC147nF94nFUo振荡频率RCfo21CCCCC24,21起振条件RR23310RRF模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系9方波信号发生器CRR1RFR3UoDZUo-UoU+U+-U+0UCUCToFURRRU11)21ln(2111FoRRRCTf模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系10阶梯波发生器CRR1RFR3Uo1DZU+UCC2D1D2R415VB1B2EC3UZUoR5UO1VZ-VZUOT0∆Uc3Up)7.0(22223ZCUUCQQ3323)7.0(2CUCQUZC一个方波周期内阶梯波周期023030)7.0(2TUCUCTUUnTTZPCP模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系11自举式交流电压放大器UiUOR1RFR2同相交流放大器C1C2RLC321RRAFVF放大倍数:输入电阻:耦合电容:Ri=R1LLRfCC21)10~3(31UiUOR1RFR2自举式交流电压放大器C1C210u10uC34.7u100K10K100KBA21RRAFVF22RRRFFKFArRRVFici200)1)(//(1模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系12单电源供电的交流电压放大器UiVCCUOR2C1R3反相交流电压放大器R1RFUiVCCUOR2C1C310KR3自举式同相交流电压放大器R1RFR410K100K10K100K1uRL模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系13方波－三角波产生电路R1R2C1R3R4UO2R5C2UO1A1A2aUiaVcc-VEEU-U+方波三角波产生电路Uia+VCC-VEEUO1Uia-UO1UO2T方波-三角波波形电压比较器传输特性Uia-Uia+VCC-VEEUO1CCRRiaVU32CCRRiaVU32a断开时，U+=U-=0,假设UO1=VCC0322323RRRURRRUCCia得：同理，UO1=-VCC时，可得模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系13方波－三角波产生电路R1R2C1R3R4UO2R5C2UO1A1A2aUiaVcc-VEEU-U+方波三角波产生电路Uia+VCC-VEEUO1Uia-UO1UO2T方波-三角波波形电压比较器传输特性Uia-Uia+VCC-VEEUO1CCRRiaVU32CCRRiaVU32)0(122411242oOOOUtCRUdtUCRUUO1=VCC时iaOOUtCRUU2412iaOUTU)5.0(224324CRRRT模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系13方波－三角波产生电路R1R2C1R3R4UO2R5C2UO1A1A2aUiaVcc-VEEU-U+方波三角波产生电路Uia+VCC-VEEUO1Uia-UO1UO2T方波-三角波波形电压比较器传输特性Uia-Uia+VCC-VEEUO124324CRRRT三角波周期三角波频率24234CRRRf三角波幅度CCiamOVRRUU322模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系14方波－锯齿波产生电路24322CRRRT锯齿波周期锯齿波频率24232CRRRf锯齿波幅度CCiamOVRRUU322R1R2C1R3R4UO2R5C2UO1A1A2aUiaVcc-VEEU-U+方波－锯齿波产生电路D1D2RRUia+Uia-TT2UO10T1VCC-VEEUO023212CRRRT23222CRRRT模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系14三角波－正弦波变换C2C1RP1T1RP2RE2RC1RC2VCCT2C3UO2T3T4-VEERB1RB2R*三角波－正弦波变换电路UO1模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系15滤波器设计0AV(ω)AV0.707AVωcω低通滤波器0AV(ω)AV0.707AVωcω高通滤波器0AV0.707AVω0ω带通滤波器ωLωHBW0AV0.707AVω0ω带阻滤波器ωLωHBW理想实际理想实际理想实际实际理想滤波器幅频特性模拟电子设计技术－－运算放大器应用设计韶关学院电子系15滤波器设计三种类型的有源低通滤波器滤波器的品质因数Q，也称为滤波器的截止特性系数，其值决定于f=f0附近的频率特性。f/f020lg-8-6-4-202-3-10-120.512巴特沃斯滤波器切比雪夫滤波器贝塞尔滤