第六章集成运算放大器.pptx

q 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。集成运放理想化条件下两条重要法则 理想运放 失调和漂移0 推论因则因则第1页/共59页说明：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。第2页/共59页q 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 因则反相输入端“虚地”。因则由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因因深度电压负反馈，第3页/共59页 同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联负反馈 因则注：同相放大器不存在“虚地”。因由图输出电压表达式：输入电阻输出电阻因深度电压负反馈，因则第4页/共59页 同相跟随器-+A+-vsvo由图得因由于所以，同相跟随器性能优于射随器。q 归纳与推广 当R1、Rf为线性电抗元件时，在复频域内：反相放大器同相放大器拉氏反变换 得注：拉氏反变换时 第5页/共59页q 加、减运算电路 反相加法器 运算电路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因则因则即整理得说明：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则令vs1=0则例如第6页/共59页 同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：则 减法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，则令vs1=0，第7页/共59页q 积分和微分电路 有源积分器-+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则则方法二：利用拉氏变换拉氏反变换得第8页/共59页 有源微分器 利用拉氏变换：拉氏反变换得-+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第9页/共59页q 对数、反对数变换器 对数变换器-+AR+-vsvo利用运算法得：由于整理得缺点：vo受温度影响大、动态范围小。vs必须大于0。第10页/共59页 改进型对数变换器-+A1+-vsvo+-A2VCC+-RLR3R4tovB2R2R5T1T2R1iC2iC1由图由于（很小）则（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。第11页/共59页 反对数变换器 利用运算法则得由于整理得缺点：vo受温度影响大。vs必须小于0。-+AR+-vsvoT第12页/共59页q 乘、除法器 vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环，则分析方法一：由图整理得（实现乘、除运算）第13页/共59页vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3对数放大器A4反对数放大器第14页/共59页精密整流电路 q 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-+AvIR1voR2RL+-D1D2 vI=0时 vO=0 D1、D2 vO=0 vI 0时 vO 0 D1、D2 vO=0 vI 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第15页/共59页q 精密转折点电路 当v-0，即 vI -(R3/R1)VR 时：当v-0，即 vI 0 D1、D2 传输特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO 0 D1、D2 vO=0 则则第16页/共59页q 精密转折点电路实现非线性的函数 R/R1vo1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvo2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3Rvo3-+A4vORR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3传输特性第17页/共59页仪器放大器 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。q 三运放仪器放大器 由得由得由减法器A3得：若R1=R2、R3=R5、R4=R6 整理得vI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo2第18页/共59页q 有源反馈仪器放大器 可证明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。第19页/共59页q 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RGRTRRRt oVREFvo第20页/共59页 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。有源滤波电路 滤波器的分类：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）第21页/共59页|A|0C通带阻带A0|A|0CA0通带阻带|A|0C1A0阻阻C2通|A|0C1A0阻C2通通 各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通（2）高通（1）带通（1）带阻第22页/共59页 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。第23页/共59页1.一阶RC低通滤波器(无源)一.低通有源滤波器传递函数：截止频率：幅频特性：第24页/共59页此电路的缺：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。幅频特性：0.707H截止频率01|A|第25页/共59页2.一阶有源低通滤波器传递函数：通带增益：截止频率：第26页/共59页幅频特性及幅频特性曲线传递函数：幅频特性：缺点：阻带衰减太慢。H0.707 1+Rf/R101+Rf/R1|A|第27页/共59页3.二阶有源低通滤波器传递函数：第28页/共59页 当 Ao3时，滤波器可以稳定工作。此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。当ffL时，幅频特性曲线的斜率 为-40dB/dec。当Ao3时，源滤波器自激。幅频特性及幅频特性曲线第29页/共59页传递函数：通带增益：截止频率：二.高通有源滤波器1.一阶有源高通滤波器第30页/共59页幅频特性：缺点：阻带衰减太慢。幅频特性及幅频特性曲线传递函数：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)L|A|第31页/共59页2.二阶有源高通滤波二阶有源高通滤波器器由此绘出频率响应特性曲线 (2)通带增益（1）幅频特性：其中：第32页/共59页当AO3时，电路自激。幅频特性曲线 当 Ao3时，滤波器可以稳定工作。此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。当f fL时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec。第33页/共59页 可由低通和高通串联得到低通截止频率高通截止频率必须满足三.有源带通滤波器第34页/共59页 可由低通和高通并联得到必须满足四.有源带阻滤波器第35页/共59页线性运用小结1集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。2集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的使用方法，是要求的重点。3有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。第36页/共59页电流传输器 电流传输器：通用集成器件，广泛用于模拟信号处理电路中。q 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，RX0；Z输出端：iZ=iX，且 iZ 与 vZ大小无关；第37页/共59页q 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 YXZCCisRLiXiOR2R1YXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+-第38页/共59页 负阻变换器 YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1RL第39页/共59页6.2 集成运放性能参数及对应用电路影响 集成运放性能参数Avd高(80140dB)，Rid高(M)，Rod低(100M)共模特性 输入直流误差特性IIB(10100A)，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BWP第40页/共59页直流和低频参数对性能的影响 q 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。-+AR1Rf+-vsvoRLvidRidvO+-v-Avd vid-+Rod+-R1Rfvs+-RL可证明其中Avd对精度影响最大。Avd越大，运算误差越小。第41页/共59页q 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-Avd vidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-Avd vicKCMR第42页/共59页q 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:设R-、R+分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。输入偏置电流若则输出无失调 例：注：平衡电阻R+的接入对性能指标计算没有影响，但运算精度得到明显改善。因此，为减小IIB对运算精度的影响，要求外接在集成运放两输入端的直流电阻相等。第43页/共59页q 失调电流IIO与失调电压VIO的影响 vO+-R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+-VIOR+可证明为减小失调的影响：在R+较小时，应选择VIO小的运放；在R+较大时，应选择 IIO小的运放。第44页/共59页高频参数对性能的影响 q 小信号频率参数 开环带宽BW 内补偿的集成运放可近似看成是单极点系统，该运放的上限截止频率即开环带宽BW（或称3dB带宽）。单位增益带宽BWG 指增益下降到1（0dB）时对应的频率。小信号工作时，其值为常数，且BWG=AvdIBW。当运放闭环工作时，BWG等于反馈电路的增益带宽积。反馈越深，Avf 越小，闭环带宽BWf 越宽。即 BWG=AvfBWf第45页/共59页q 大信号动态参数 指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率。其值越大，运放高频性能越好。影响SR主要原因：运放内部存在寄生电容和相位补偿电容。转换速率（又称压摆率）指集成运放输出最大不失真峰值电压时，允许的最高工作频率。全功率带宽 当SR一定时，最大不失真输出电压与工作频率成反比。工作频率越高，不失真输出的Vom就越小。第46页/共59页6.4 集成电压比较器 电压比较器的作用比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。电压比较器的特点输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。电压比较器的作用 电压比较器工作原理 只要开环Avd很大，则v+、v-间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。由可知v+v-时，vo=Vomax（正饱和值）v+v-时，vo=Vomin（负饱和值）v+=v-时，逻辑状态转换 因此第47页/共59页 理想比较特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI VREF 时，vo=VominvI=VREF 时，逻辑状态转换 理想特性vIvoVREFVomaxVomin0 实际比较特性实际特性vI VREF-Vomin/Avd 时，vo=Vomin注：Avd 越大，比较特性越接近理想特性，VREF作为 门限值的比较精度越高。第48页/共59页具有不同比较特性的电压比较器q 单限电压比较器 特点：运放开环工作。过零比较器-+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流电阻，与D1、D2共同构成电平变换电路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on)vIvoVOHVOL0比较特性tvO0tvI0第49页/共59页 单限比较器-+AvovI+-R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：1）令v-=v+求出的输入电压vI 即门限电平。2）分别分析vI大于门限、小于门限时的输出vO电平。令得门限电平即v+v-若则vO=VOH比较特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-第50页/共59页 单限比较器优点：电路结构简单，可不计有限KCMR的影响。单限比较器缺点：电路抗干扰能力差。例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信号时，输出会出现误操作。tvO0vIt0第51页/共59页q 迟滞比较器（施密特触发器）-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2特点正反馈电路。具有双门限。令得门限电平：反相输入迟滞比较器 迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性VOLVILVIH第52页/共59页-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2令得门限电平：同相输入迟滞比较器 迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性VOLVILVIH 将反相迟滞比较器中的vI与VREF交换，即得同相输入迟滞比较器。第53页/共59页 迟滞比较器优点：电路抗干扰能力强。例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，在已知输入信号时，试画输出信号波形。vI(V)vo(V)0比较特性7-7-66vI(V)t010-106-6tvO(V)07-7第54页/共59页 迟滞比较器应用方波发生器-+Avo+-R3D1D2RR1R2C门限电平设t=0时，vO=VOH，初始 vC=0则VOH 经R向C充电 vC按指数规律当vC VIH 时 vO跳变为VOL此时C经R放电 vC按指数规律当vC VIL时 vO又上跳到VOH可证振荡周期：tvO0vCt0VIHVILVOHVOL第55页/共59页q 窗孔比较器-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1具有两个基准电源，可以判断位于两个指定门限之间的输入信号。特点：组成：A1精密整流电路，A2单限比较器第56页/共59页由A2-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1 当0 vI 0 D1、D2得下门限由A2 当vI 0，且vI VREF1 时:vO1 0 D1、D2 得上门限此时第57页/共59页-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORvO1迟滞宽度比较特性vIvoVOH0VOLVILVIH第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页