《运放原理介绍》PPT课件.ppt

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1、6.2 6.2 集成运放性能参数及对应用电路的影响集成运放性能参数及对应用电路的影响6.4 6.4 集成电压比较器集成电压比较器6.3 6.3 高精度和高速宽带集成运放高精度和高速宽带集成运放6.1 6.1 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理 第六章第六章 集成运算放大器及其应用电路集成运算放大器及其应用电路 6.1 6.1 集成运放应用电路的组成原理集成运放应用电路的组成原理 根根据据集集成成运运放放自自身身所所处处的的工工作作状状态态，运运放放应应用用电电路路分分：线性应用电路和非线性应用电路两大类。线性应用电路和非线性应用电路两大类。q 线性应用电路线性应用电路 -+A

2、Z1Zfvovs1vs2iZ1或或Zf采采用用非非线线性性器器件件（如如三三极极管管），则则可可构构成成对对数数、反反对数、乘法、除法对数、乘法、除法等运算电路。等运算电路。Z1或或Zf采用线性器件采用线性器件(R、C)，则可构成加、减、积分、微，则可构成加、减、积分、微分等运算电路。分等运算电路。组成：组成：集成运放外加深度负反馈。集成运放外加深度负反馈。因负反馈作用，使运放小信号因负反馈作用，使运放小信号工作，故运放处于线性状态。工作，故运放处于线性状态。q 非线性应用电路非线性应用电路 -+AvovIVREF组成特点：组成特点：运放运放开环工作。开环工作。由于开环工作时运放增益很大，因此

3、较小的输入电压，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。即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。例如电压比较器。6.1.1 6.1.1 集成运放理想化条件下两条重要法则集成运放理想化条件下两条重要法则 理理想想运运放放 失调和漂移0 推论推论因因则则因因则则说明：说明：相当于运放两输入端相当于运放两输入端“虚短路虚短路”。虚短路不能理解为两输入端短接，只是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。正是利用这个极其微小的差值

4、进行电压放大的。同同样样，虚虚断断路路不不能能理理解解为为输输入入端端开开路路，只只是是输入电流小到了可以忽略不计的程度。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相当于运放两输入端“虚断路虚断路”。实实际际运运放放低低频频工工作作时时特特性性接接近近理理想想化化，因因此此可可利利用用“虚虚短短、虚虚断断”运运算算法法则则分分析析运运放放应应用用电电路路。此此时时，电电路路输输出出只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。只与外部反馈网络参数有关，而不涉及运放内部电路。q 集成运放基本应用电路集成运放基本应用电路 反相放大器反相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电

5、压并联负反馈类型：电压并联负反馈 因因则则反相输入端反相输入端“虚地虚地”。因因则则由图由图输出电压表达式：输出电压表达式：输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻因因因深度电压负反馈因深度电压负反馈，同相放大器同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1类型：电压串联负反馈类型：电压串联负反馈 因因则则注：同相放大器不存在注：同相放大器不存在“虚地虚地”。因因由图由图输出电压表达式：输出电压表达式：输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻因深度电压负反馈因深度电压负反馈，因因则则 同相跟随器同相跟随器 -+A+-vsvo由图得由图得因因由于由于所以，同相跟随器性能所以，同相跟随器性能优于优于射随器。射随器

6、。q 归纳与推广归纳与推广 当当R1、Rf为线性电抗元件时，在复频域内：为线性电抗元件时，在复频域内：反相放大器反相放大器同相放大器同相放大器拉氏反变换拉氏反变换 得得注：注：拉氏反变换时拉氏反变换时 q 加、减运算电路加、减运算电路 反相加法器反相加法器 6.1.2 6.1.2 运算电路运算电路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因因则则因因则则即即整理得整理得说明：说明：线性电路除可以采用线性电路除可以采用“虚短、虚断虚短、虚断”概念外，还可概念外，还可采采 用叠加原理进行分析。用叠加原理进行分析。令令vs2=0则则令令vs1=0则则例如例如 同相加法器同相加法器 -+A

7、R2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用叠加原理：利用叠加原理：则则 减法器减法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令令vs2=0，则则令令vs1=0，q 积分和微分电路积分和微分电路 有源积分器有源积分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用运算法则方法一：利用运算法则则则方法二：利用方法二：利用拉氏变换拉氏变换拉氏反变换得拉氏反变换得 有源微分器有源微分器 利用利用拉氏变换：拉氏变换：拉氏反变换得拉氏反变换得-+ARC+-vsvo 波形变换波形变换 tvs0输入方波输入方波积分输出三角波积分输出三角波vot0微分输出尖脉冲微分输出尖脉冲tvo0q 对数、反对数变换器对数、反对数变换

8、器 对数变换器对数变换器 -+AR+-vsvo利用运算法得：利用运算法得：由于由于整理得整理得缺点：缺点：vo受温度影响大、动态范围小。受温度影响大、动态范围小。vs必须大于必须大于0。改进型对数变换器改进型对数变换器 -+A1+-vsvo+-A2VCC+-RLR3R4tovB2R2R5T1T2R1iC2iC1由图由图由于由于（很小）（很小）则则（T1、T2特性相同）特性相同）利用利用R4补补偿偿VT，改善改善温度特性。温度特性。vS大大范围范围变化时，变化时，vO 变化很小。变化很小。反对数变换器反对数变换器 利用运算法则得利用运算法则得由于由于整理得整理得缺点：缺点：vo受温度影响大。受温

9、度影响大。vs必须小于必须小于0。-+AR+-vsvoTq 乘、除法器乘、除法器 vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ因因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环，构成跨导线性环，则则分析方法一：分析方法一：由图由图整理得整理得（实现乘、除运算）（实现乘、除运算）vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：分析方法二：A1、A2、A3对数放大器对数放大器A4反对数放大器反对数放大器6

10、.1.3 6.1.3 精密整流电路精密整流电路 q 精密半波整流电路精密半波整流电路 利利用用集集成成运运放放高高差差模模增增益益与与二二极极管管单单向向导导电电特特性性，构构成成对微小幅值电压进行整流的电路。对微小幅值电压进行整流的电路。vo-+AvIR1vo R2RL+-D1D2 vI=0时时 vO =0 D1、D2 vO=0 vI 0时时 vO 0 D1、D2 vO=0 vI 0 D1、D2 vO=-(-(R2/R1)vI工作原理：工作原理：vOvI-R2/R1传输特性传输特性vItvOtvIR2R1-输入正弦波输入正弦波输出半波输出半波q 精密转折点电路精密转折点电路 当当v-0，即即

11、 vI -(-(R3/R1)VR 时：时：当当v-0，即即 vI 0 D1、D2 传输特性传输特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO 0 D1、D2 vO=0 则则则则q 精密转折点电路实现非线性的函数精密转折点电路实现非线性的函数 R/R1vo1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvo2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3Rvo3-+A4vORR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3传输特性传输特性6.1.3 6.1.3 仪器放大器仪器放大器 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。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：特点

12、：KCMR很高、很高、Ri 很大，很大，Av 在很大范围内可调。在很大范围内可调。q 三运放三运放仪器放大器仪器放大器 由由得得由由得得由由减法器减法器A3得：得：若若R1=R2、R3=R5、R4=R6 整理得整理得vI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo2q 有源反馈仪器放大器有源反馈仪器放大器 可证明可证明vI1+-A3R1-+A1RGvOIO+-A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2差放差放T3、T4差放差放A3跟随器跟随器A2跟随器跟随器A1放大器放大器 采用严格配对的低噪声对管和精密电阻，可构成低

13、噪声、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。高精度、增益可调的仪器放大器。q 仪器放大器的应用仪器放大器的应用 仪器放大器单片集成产品：仪器放大器单片集成产品：LH0036、LH0038、AMP-03、AD365、AD524等。等。例：仪器放大器构成的桥路放大器例：仪器放大器构成的桥路放大器温度为规定值时温度为规定值时 RT=R 路桥平衡路桥平衡 vo=0。温度变化时温度变化时 RT R 路桥不平衡路桥不平衡 vo 产生变化。产生变化。仪器仪器放大器放大器RGRTRRRt oVREFvo6.1.5 6.1.5 电流传输器电流传输器 电流传输器：通用集成

14、器件，广泛用于模拟信号处理电路中。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电流传输器电路符号及特点YXZCCvXvYvZiY=0iXiZY输入端：输入端：iY=0，即，即 RY；X输入端：输入端：vX=vY，且，且vX与与 iX 大小无关，大小无关，RX0；Z输出端：输出端：iZ=iX，且，且 iZ 与与 vZ大小无关；大小无关；q 电流传输器构成的模拟信号处理电路电流传输器构成的模拟信号处理电路 YXZCCviRLiXiOR+-互导放大器互导放大器 互阻放大器互阻放大器 电流放大器电流放大器 YXZCCisRLiXiOR2R1YXZCC1iiRvoi

15、Z1RLYXCC2Z+-负阻变换器负阻变换器 YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1RL6.2 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及对应用电路影响 6.2.1 6.2.1 集成运放性能参数集成运放性能参数Avd高高(80140dB)，Rid高高(M)，Rod低低(100M)共模特性共模特性 输入直流误差特性输入直流误差特性IIB(10100 A)，VIO(mV)，IIO(为为IIB的的5%10%)大大信号动态特性信号动态特性 转换速率转换速率SR，全功率带宽全功率带宽BWP6.2.2 6.2.2 直流和低频参数对性能的影响直流和低频参数对性能的影响 q

16、 Avd、Rid、Rod为有限值的影响为有限值的影响 运运放放应应用用场场合合不不同同，各各项项性性能能参参数数影影响响也也不不同同。因因此此工工程估算时，可针对不同场合，有选择地分析运算误差。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可证明可证明其中其中Avd对精度影响最大。对精度影响最大。A Av vd d越大，运算误差越小。越大，运算误差越小。q KCMR、Ric为有限值的影响为有限值的影响-+AR1Rf+-vsvoRL可证明可证明其中其中Avd、KCMR越大，同相放大器运算精度越

17、高。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，因此必须由于同相放大器输入端引入了共模信号，因此必须考虑考虑KCMR的影响。的影响。RicvO+-v-Avd vidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-Avd vicKCMRq 输入偏置电流输入偏置电流IIB对性能的影响对性能的影响 -+AR1Rf+-vsvoR+=R1/Rf则则IIB在外电路反相端产生的直流电压在外电路反相端产生的直流电压:则则IIB在外电路同相端产生的直流电压在外电路同相端产生的直流电压:设设R-、R+分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻。输入偏

18、置电流输入偏置电流若若则则输出无失调输出无失调 例：例：注：注：平衡电阻平衡电阻R+的接入对性的接入对性能指标计算没有影响，但运能指标计算没有影响，但运算精度得到明显改善。算精度得到明显改善。因因此此，为为减减小小IIB对对运运算算精精度度的的影影响响，要要求求外外接接在在集集成成运运放放两输入端的直流电阻相等。两输入端的直流电阻相等。q 失调电流失调电流IIO与失调电压与失调电压VIO的影响的影响 vO+-R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+-VIOR+可证明可证明为减小失调的影响：为减小失调的影响：在在R+较小时，应选择较小时，应选择VIO小的运放；小的运放；在在R+较大时，应选择较

19、大时，应选择 IIO小的运放。小的运放。6.2.3 6.2.3 高频参数对性能的影响高频参数对性能的影响 q 小信号频率参数小信号频率参数 开环带宽开环带宽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上限截止频率即开环带宽BW（或称（或称3dB带宽）。带宽）。单位增益带宽单位增益带宽BWG 指指增增益益下下降降到到1（0dB）时时对对应应的的频频率率。小小信信号号工工作作时时，其值为常数，其值为常数，且且BWG=AvdIBW。当运放闭环工作时，当运放闭环工作时，BWG等于反馈电路的增益带宽积。等于反馈电路的增益带宽

20、积。反馈越深，反馈越深，Avf 越小，闭环带宽越小，闭环带宽BWf 越宽。越宽。即即 BWG=AvfBWfq 大信号动态参数大信号动态参数 指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率。指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率。其值其值越大，运放高频性能越好。越大，运放高频性能越好。影响影响SR主要原因：运放内部存在寄生电容和相位补偿电容。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）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。作频率。全功率带宽全功率带宽 当当SR一一定定时时，最最大大不不

21、失失真真输输出出电电压压与与工工作作频频率率成成反反比比。工作频率越高，不失真输出的工作频率越高，不失真输出的Vom就越小。就越小。6.4 6.4 集成电压比较器集成电压比较器 电压比较器的作用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。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。输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。6.4.1 6.4.1 电压比较器的作用电压比较器的作用 电压比较器工作原理电压比较器工作原理 只要开环只要开环Avd很大，则很大，则v+、v-间的微小差值，即可

22、使运放输间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。出工作在饱和状态。由由可知可知v+v-时，时，vo=Vomax（正饱和值）（正饱和值）v+v-时，时，vo=Vomin（负饱和值）（负饱和值）v+=v-时，时，逻辑状态转换逻辑状态转换 因此因此 理想比较特性理想比较特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI VREF 时，时，vo=VominvI=VREF 时，时，逻辑状态转换逻辑状态转换 理想特性理想特性vIvoVREFVomaxVomin0 实际比较特性实际比较特性实际特性实际特性vI VREF-Vomin/Avd 时，时，vo=Vomin注：注：Avd 越大，

23、比较特性越接近理想特性，越大，比较特性越接近理想特性，VREF作为作为 门限值的比较精度越高。门限值的比较精度越高。6.4.1 6.4.1 具有不同比较特性的电压比较器具有不同比较特性的电压比较器q 单限电压比较器单限电压比较器 特点：运放开环工作。特点：运放开环工作。过零比较器过零比较器 -+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流电阻，与限流电阻，与D1、D2共同构成电平变换电路。共同构成电平变换电路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on)vIvoVOHVOL0比较特性比较特性tvO0tvI0 单限比较器单限比较器 -+AvovI+-R3D1D2R1/R2V

24、REFR1R2i1i2分析方法：分析方法：1）令）令v-=v+求出的输入电压求出的输入电压vI I 即门限电平。即门限电平。2）分别分析）分别分析vI I大于门限、小于门限时的输出大于门限、小于门限时的输出vO O电平。电平。令令得门限电平得门限电平即即v+v-若若则则vO O=VOH比较特性比较特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-单限比较器优点：单限比较器优点：电路结构简单电路结构简单，可不计有限，可不计有限KCMR的影响。的影响。单限比较器缺点：单限比较器缺点：电路抗干扰能力电路抗干扰能力差。差。例如：过零比较器，例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信当门限电平附近出现干扰信号时

25、，输出会出现误操作。号时，输出会出现误操作。tvO0vIt0q 迟滞比较器（施密特触发器）迟滞比较器（施密特触发器）-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2特点特点正反馈电路。正反馈电路。具有双门限。具有双门限。令令得门限电平：得门限电平：反相输入迟滞比较器反相输入迟滞比较器 迟滞宽度：迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性比较特性VOLVILVIH-+AvovI+-R3D1D2RVREFR1R2令令得门限电平：得门限电平：同相输入迟滞比较器同相输入迟滞比较器 迟滞宽度：迟滞宽度：vIvoVOH0比较特性比较特性VOLVILVIH 将反相迟滞比较器中的将反相迟滞比较器中的vI与与VREF交

26、换，即得同相输入交换，即得同相输入迟滞比较器。迟滞比较器。迟滞比较器优点：迟滞比较器优点：电路抗干扰能力电路抗干扰能力强。强。例：反相输入迟滞比较器的比较特性如图示，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。在已知输入信号时，试画输出信号波形。vI(V)vo(V)0比较特性比较特性7-7-66vI(V)t010-106-6tvO(V)07-7 迟滞比较器应用迟滞比较器应用方波发生器方波发生器 -+Avo+-R3D1D2RR1R2C门限电平门限电平设设t=0时，时，vO=VOH，初始，初始 vC=0则则VOH 经经R向向C充电充电 vC按指数规律按指数规律 当当

27、vC VIH 时时 vO跳变为跳变为VOL此时此时C经经R放电放电 vC按指数规律按指数规律 当当vC VIL时时 vO又上跳到又上跳到VOH可证振荡周期：可证振荡周期：tvO0vCt0VIHVILVOHVOLq 窗孔比较器窗孔比较器 -+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORv O1具具有两个基准电源，可以判断位于两有两个基准电源，可以判断位于两个指定门限之间的输入信号。个指定门限之间的输入信号。特点：特点：组成：组成：A1精密整流电路，精密整流电路，A2单限比较器单限比较器由由A2-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORv O1 当当0 vI 0 D1、D2 得下门限得下门限由由A2 当当vI 0，且，且vI VREF1 时时:vO1 0 D1 、D2 得上门限得上门限此时此时-+A1vID1D2R/2VREF2RR/4-+A2R-VREF1RRvORv O1迟滞宽度迟滞宽度比较特性比较特性vIvoVOH0VOLVILVIH