模拟电子设计技术--运算放大器

运算放大器及其基本应用运算放大器及其基本应用运算放大器是一种高增益多级直接耦合放大器运算放大器是一种高增益多级直接耦合放大器1 1 运算放大器的基本特性运算放大器的基本特性 输入偏置电流输入偏置电流IIB:表示了运放输入端正常工作时需提供的偏表示了运放输入端正常工作时需提供的偏置电流置电流，它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻。，它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻。IIB愈小，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。输入失调电压输入失调电压VIO:反映了运放芯片本身输入级差分对管的反映了运放芯片本身输入级差分对管的对称程度，所以当对称程度，所以当VI=0时，时，VO0。为了使输出为。为了使输出为0，等效在，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）输入端施加的补偿电压（失调补偿调零电位器不起作用时）即为即为VIO。愈小愈好，理想运放。愈小愈好，理想运放VIO=0。输入失调电流输入失调电流IIO:当运放的输出电压为零时，将两输入端偏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。置电流的差称为输入失调电流。IIO=IP-IN。运算放大器的基本特性运算放大器的基本特性donpooVVVVVA开环增益开环增益:直接影响运算精度和许多特性指标，直接影响运算精度和许多特性指标，Ao愈大愈好。愈大愈好。理想运算放大器理想运算放大器Ao为无穷大。为无穷大。差模输入电阻差模输入电阻rid:指的是输入端加入差模信号时，运放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。芯片的输入呈现的电阻。rid愈大，意味着从信号源（或前愈大，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。理想运放的对信号源而言，就相当于它的负载。理想运放的rid 为无为无穷大。穷大。理想运放理想运放输出电阻输出电阻ro。理想闭环电路。理想闭环电路ro=0，ro表征器件对表征器件对负载的驱动能力。负载的驱动能力。带宽带宽BW，又称单位增益带宽或增益带宽积。指的是当运，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放的闭环增益为1（即（即0dB）时的带宽。一般增益与带宽）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。运放的愈小。运放的BW主要由芯片内部的器件与电路决定。理主要由芯片内部的器件与电路决定。理想运放的想运放的BW 为无穷大。为无穷大。供电电源供电电源:单极性，双极性。理想运放供电不受限制。单极性，双极性。理想运放供电不受限制。功耗功耗PC：理想运放为零理想运放为零共模抑制比共模抑制比CMRR：反应了芯片对共模信号的抑制能力反应了芯片对共模信号的抑制能力）（dBAACMRRocodlg20输入噪声输入噪声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。电压噪声频谱密度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）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。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。调零或者反相调零的方法。运算放大器的基本特性运算放大器的基本特性2 2运算放大器的一个重运算放大器的一个重要特性要特性三三“虚虚”虚断虚断 虚地虚地虚短虚短 1 1 基本放大电路基本放大电路 1RRAFVF放大倍数放大倍数:输入电阻输入电阻:输出电阻输出电阻:Ri=R1Ro=011RRAFVFRi=ricRo=0Ric:运放同相端对地运放同相端对地共模输入电阻，一般共模输入电阻，一般为为108欧。欧。平衡电阻平衡电阻:RP=R1/RF2 2 差分输入放大电路差分输入放大电路 输入输出关系输入输出关系:112243412)1(iioURRURRRRRU如何实现如何实现Uo=(Ui2-Ui1)K?R1=R3,R2=R42 2 差分输入放大电路差分输入放大电路 输入输出关系输入输出关系:GiioiiRRUURUURUU21211111222121RUURUURUUoiioGiiRGiioVRRRRUUU)21)(12112Ui1Ui2输入电阻无穷大输入电阻无穷大,便携式电子产品中应用便携式电子产品中应用2 2 差分输入放大电路差分输入放大电路 输入输出关系输入输出关系:32221311RUURUURUUoiWiiio1212)(RRUUUooo)21)(31212WiioRRRRUUUR1=R2)21)(312WiioRRUUU输入电阻无穷大输入电阻无穷大,完成双极性到单极性放大完成双极性到单极性放大.常用于仪表放大电路常用于仪表放大电路3 3 精密整流放大电路精密整流放大电路 Ui大于零时大于零时,二极管导通情况二极管导通情况:ioURRU121D2导通导通,D1截止截止iiooURRRRRRURRURRU)(35142535145Ui小于零时小于零时,二极管导通情况二极管导通情况:D1导通导通,D2截止截止01oUioURRU3535351425RRRRRRRR如果如果:ioURRU3531422,RRRR4 4 微分电路微分电路 foiRUdtdUC1dtdUCRUifo1反馈电流设置在反馈电流设置在0.10.5mAmax1)(dtdUUCRioMf缺点缺点:信号频率增加时信号频率增加时,电容容抗减小电容容抗减小,放大倍数增加放大倍数增加.对高频噪对高频噪声敏感声敏感.实用微分电路实用微分电路RC1=RfC5 5积分电路积分电路 1RUdtdUCiofifoUCRU11Cf小于小于1uFdtUUCRioMf11缺点缺点:低频时低频时,电容容抗很大电容容抗很大,放大倍数增加放大倍数增加.实用积分电路实用积分电路R10R16 比较器比较器7 窗比较器窗比较器8 RC正弦波振荡器正弦波振荡器文氏电桥文氏电桥RCfo21振荡频率振荡频率起振条件起振条件稳定条件稳定条件311RRAVF311RRAVF8 RC正弦波振荡器正弦波振荡器RRRRR5.0,421双双T正弦波振荡器正弦波振荡器振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率RCfo21CCCCC24,21起振条件起振条件RR23310RRF9 方波信号发生器方波信号发生器oFURRRU11)21ln(2111FoRRRCTf10 阶梯波发生器阶梯波发生器)7.0(22223ZCUUCQQ3323)7.0(2CUCQUZC一个方波周期内一个方波周期内阶梯波周期阶梯波周期023030)7.0(2TUCUCTUUnTTZPCP11 自举式交流电压放大器自举式交流电压放大器21RRAFVF放大倍数放大倍数:输入电阻输入电阻:耦合电容耦合电容:Ri=R1LLRfCC21)103(3121RRAFVF22RRRFFKFArRRVFici200)1)(/(112 单电源供电的交流电压放大单电源供电的交流电压放大器器13 方波三角波产生电路方波三角波产生电路CCRRiaVU32CCRRiaVU32a断开时断开时，U+=U-=0,假设假设UO1=VCC0322323RRRURRRUCCia得：得：同理，同理，UO1=-VCC时，可得时，可得13 方波三角波产生电路方波三角波产生电路CCRRiaVU32CCRRiaVU32)0(122411242oOOOUtCRUdtUCRUUO1=VCC时时iaOOUtCRUU2412iaOUTU)5.0(224324CRRRT 13 方波三角波产生电路方波三角波产生电路24324CRRRT 三角波周期三角波周期三角波频率三角波频率24234CRRRf 三角波幅度三角波幅度CCiamOVRRUU32214 方波锯齿波产生电路方波锯齿波产生电路24322CRRRT 锯齿波周期锯齿波周期锯齿波频率锯齿波频率24232CRRRf 锯齿波幅度锯齿波幅度CCiamOVRRUU32223212CRRRT23222CRRRT 14 三角波正弦波变换三角波正弦波变换15 滤波器设计滤波器设计滤波器幅频特性滤波器幅频特性15 滤波器设计滤波器设计三种类型的有源低通滤波器三种类型的有源低通滤波器滤波器的品质因数滤波器的品质因数Q，也称为滤波，也称为滤波器的截止特性系数，其值决定于器的截止特性系数，其值决定于f=f0附近的频率特性。附近的频率特性。巴特沃斯：巴特沃斯：Q=0.707,幅频特性无峰值，幅频特性无峰值，在在f=f0附近处的特性曲线单调减附近处的特性曲线单调减切比雪夫：切比雪夫：Q=1,f=f0附近的截止特性附近的截止特性最好，曲线衰减最陡。但通带有幅频最好，曲线衰减最陡。但通带有幅频特性有峰值特性有峰值贝塞尔：贝塞尔：Q=0.56,过渡特性最好，相过渡特性最好，相频特性无峰值频特性无峰值二阶二阶RC滤波器传输函数滤波器传输函数类型类型 传输函数传输函数性能参数性能参数低通低通高通高通带通带通带阻带阻222)(csQsAsACcV222)(csQssAsACV20020)(sQssQAsAV200222)()(0sQssAsAVAV电压增益电压增益c高低通滤波器截止频率高低通滤波器截止频率0带通、带阻滤波器中心带通、带阻滤波器中心频率频率Q品质因数品质因数BWQ0或或BWfQ0当当0BWBW带通带阻滤波器带宽带通带阻滤波器带宽常用电路类型常用电路类型VCVS:运放为同相输入，输入电阻很高，输出电阻很运放为同相输入，输入电阻很高，输出电阻很低，滤波器相当于一个电压源。优点为电路性能稳定，低，滤波器相当于一个电压源。优点为电路性能稳定，增益易调节。增益易调节。MFB:运放为反相输入，输出端通过运放为反相输入，输出端通过C1R2形成两条反形成两条反馈支路，故称无限增益多路反馈电路。优点是电路有馈支路，故称无限增益多路反馈电路。优点是电路有倒相作用，使用元器件较少，但增益调节对其性能参倒相作用，使用元器件较少，但增益调节对其性能参数会有影响，故应用范围比数会有影响，故应用范围比VCVS电路少。电路少。二阶有源低通滤波器设计二阶有源低通滤波器设计C3:抑制尖峰脉冲，通常抑制尖峰脉冲，通常2251pFjssQsAsAcCcV,)(22231RRAFV21211CCRRc112122121)1()(CRARRCCCRRQV 二阶有源低通滤波器设计二阶有源低通滤波器设计方法一：令方法一：令AV=1,R1=R2=R,R3为无穷大为无穷大2121CCQ 2121CCRfc为阶数nQCCnRQCRQCCC,4,21,222121由于通频带增益由于通频带增益AV=1,因而工作稳定，故适用于高因而工作稳定，故适用于高Q值电路值电路 二阶有源低通滤波器设计二阶有源低通滤波器设计方法二：令方法二：令R1=R2=R,C1=C2=CVAQ31RCfc21品质因数品质因数Q值按照近似特性，有如下分类：值按照近似特性，有如下分类：5.0QQ0.707,巴特沃斯特性巴特沃斯特性Q0.58，贝塞尔特性，贝塞尔特性Q0.96 切比雪夫特性切比雪夫特性 二阶有源高通滤波器设计二阶有源高通滤波器设计jssQssAsAcCcV,)(22231RRAFV21211CCRRc222112121)1()(CRACCRCCRRQV 二阶有源高通滤波器设计二阶有源高通滤波器设计221214,2,21QRRnCQRCQRcc方法一：令方法一：令AV=1,C1=C2=C方法二：令方法二：令C1=C2=C，R1=R2=R5.0,1,31QRCQAcV 二阶有源带通滤波器设计二阶有源带通滤波器设计QfBWAQRCfuf00,31,21RCR3C1,才能形成通带才能形成通带改变改变RF和和R1的比例，可改变带宽和的比例，可改变带宽和通带增益而中心频率不变。通带增益而中心频率不变。Auf=1+RF/R1 二阶有源带阻滤波器设计二阶有源带阻滤波器设计QfBWAQRCfuf00,)2(21,21由低通和高通无源由低通和高通无源RC网络网络并联成双并联成双T网络，在与运放网络，在与运放和电阻组成二价带阻滤波和电阻组成二价带阻滤波器器改变改变RF和和R1的比例，可改变带宽和的比例，可改变带宽和通带增益而中心频率不变。通带增益而中心频率不变。Auf=1+RF/R1RC有源滤波器快速设计有源滤波器快速设计设计步骤设计步骤1.根据截止频率根据截止频率fc，选定一个电容，选定一个电容C 的标称值，使其满足的标称值，使其满足K=100/(fcC)，C的单位为的单位为uF。K值不能太大，否则会使电阻值不能太大，否则会使电阻的取值较大，从而使引入的误差增加，通常取大于等于的取值较大，从而使引入的误差增加，通常取大于等于1，小，小于等于于等于10。2.查表，得出与查表，得出与Av对应的电容值及对应的电容值及K=1时的电阻值，再将这时的电阻值，再将这些电阻值乘以参数些电阻值乘以参数K，得出电阻的设计值。，得出电阻的设计值。3.实验调整并修改电容电阻值，测量滤波器的性能参数实验调整并修改电容电阻值，测量滤波器的性能参数设计举例设计举例设计一个二阶压控电压源低通滤波器，要求截止频率设计一个二阶压控电压源低通滤波器，要求截止频率fc=2KHz，增益，增益Av=21、取、取C=0.01uFK=100/(fcC)=100/(2000*0.01)=52、查表：、查表：Av2时，时，C1=C=0.01uFK=1时，时，R1=1.126K,R2=2.250KR3=6.752K,R4=6.752K3、将上述电阻值乘以参数、将上述电阻值乘以参数K=5，得：，得：R1=51.126K=5.63K,R2=52.250K11.25KR3=R4=56.752K33.76K3.3.2 FilterLab3.3.2 FilterLab滤波器辅助设计工具滤波器辅助设计工具 FilterLab2.0FilterLab2.0是美国是美国MicrochipMicrochip公司推出的一款创新的滤公司推出的一款创新的滤波器免费下载软件。使用该软件避免了传统滤波器设计的波器免费下载软件。使用该软件避免了传统滤波器设计的繁琐计算。使设计大大简化。繁琐计算。使设计大大简化。该软件所设计的滤波器具有：该软件所设计的滤波器具有：（1 1）巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有）巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有LPFLPF一类滤波器。一类滤波器。（2 2）阶数）阶数1818。（3 3）增益）增益110110。（4 4）LPFLPF、BPFBPF、HPFHPF三种类型。三种类型。（5 5）有塞林凯和多重反馈二种电路形式。）有塞林凯和多重反馈二种电路形式。（6 6）通带截止频率（）通带截止频率（Passband frequencyPassband frequency）：）：0.1Hz1MHz0.1Hz1MHz。（7 7）品质因素）品质因素Q Q：0.55.00.55.0（8 8）阻带衰减（）阻带衰减（Stopband AttenuationStopband Attenuation）：）：10dB100dB10dB100dB3.3.3 3.3.3 开关电容滤波器开关电容滤波器 1 1开关电容滤波的基本原理开关电容滤波的基本原理图图3.3.133.3.13（a a）的简单一阶）的简单一阶LBP/LBP/滤波器，通带截止频率滤波器，通带截止频率fp=1/2 fp=1/2，=RC =RC。与其特性相同的开关电容滤波器由。与其特性相同的开关电容滤波器由MOSMOS模拟开关，集成电容和运放模拟开关，集成电容和运放OAOA组成，如图（组成，如图（b b）所示。模拟开关）所示。模拟开关S S1 1、S S2 2，电容，电容C C1 1模拟等效的电阻模拟等效的电阻R R。其阻值受模拟开关切换频率。其阻值受模拟开关切换频率（时钟频率）（时钟频率）f fCLKCLK和和C C1 1控制。图（控制。图（b b）中驱动两只模拟开关的时钟）中驱动两只模拟开关的时钟信号分别为信号分别为A A和和/A/A，两者反相。，两者反相。C C2 2为积分电容。为积分电容。开关电容滤波的基本原理开关电容滤波的基本原理 在在A A的正半周，的正半周，S S1 1闭合、闭合、S S2 2断开，电容断开，电容C C1 1被充电到，在被充电到，在（=1/=1/f fCLKCLK）期间所积累的电荷）期间所积累的电荷Q=VixC1Q=VixC1；平均输入电流平均输入电流i ii i=V=Vi ixC1/TxC1/Tc c 。其等效模拟电阻为。其等效模拟电阻为 R Ri i=V=Vi i/i/ii i=1/Cf=1/Cfclkclk 在在/A/A的正半周，的正半周，S S1 1断开、断开、S S2 2闭合，闭合，C C1 1上的电荷将转移至上的电荷将转移至C C2 2。电路的等效时间常数为电路的等效时间常数为t=Rt=Ri iC2=C2/C1fC2=C2/C1fCLKCLK开关电容滤波的基本原理开关电容滤波的基本原理 在集成芯片制造时，两个电容之比可视为两个电在集成芯片制造时，两个电容之比可视为两个电容的面积之比，其误差可控制在容的面积之比，其误差可控制在1%1%以内，从而保以内，从而保证了滤波器电参数的稳定性。证了滤波器电参数的稳定性。f fCLKCLK可以很容易的改变可以很容易的改变 ，相对也比较容易得到，相对也比较容易得到等效的较大容量的电容。当然，通过控制等效的较大容量的电容。当然，通过控制f fCLKCLK可以可以有效的控制滤波器的频率特性，如有效的控制滤波器的频率特性，如f fp p 。当当f fCLKCLK由晶振振荡器提供时，更是保证了滤波器电由晶振振荡器提供时，更是保证了滤波器电参数的稳定性和准确性。由于上述优点，加上结参数的稳定性和准确性。由于上述优点，加上结构简便，使用灵活，使其得到愈来愈广泛的应用，构简便，使用灵活，使其得到愈来愈广泛的应用，本身的发展也很迅速。本身的发展也很迅速。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH