运算放大器(经典)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第七章,集成运算放大电路及其应用,1,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,2,3,集成运放的主要性能指标,1.,差模开环放大倍数：,A,Od,2.,共模抑制比：,K,CMR,3.,差模输入电阻：,R,Id,4.,输入偏置电流：,I,IB,5.3dB,带宽,:,f,H,6.,输入失调电压及其温漂：,U,IO,dU,IO,/dT,7.,输入失调电压及其温漂：,I,IO,dI,IO,/dT,4,理想运放的主要性能指标,1.,开环差模放大倍数：,A,Od, ,2.,差模输入电阻：,R,id, ,3.,输出电阻：,R,0, 0,4.,共模抑制比：,K,CMR, ,5.3dB,带宽,:,f,BW,f,H, ,4.,输入偏置电流：,I,IB, 0,6.,输入失调电压及其温漂：,U,IO,dU,IO,/dT, 0,7.,输入失调电压及其温漂：,I,IO,dI,IO,/dT, 0,5,集成运算放大电路的电压传输特性,U,0,=,f(U,P,-U,N,),6,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，,U,OM,和-,U,OM,7,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,A,Od,有：,其中,A,Od,非常高,140,dB ,因而有：,U,P,-U,N,0,或,U,P,U,N,“,虚短”,又因为：,则： “虚断”,U,0,=,A,Od,(U,P,-U,N,),8,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,A,Od,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：,U,P,U,N,时，,UO = +U,OM,当：,U,P,U,N,时,UO = -U,OM,(2),又由于,则： “虚断”,9,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:,I,i,= I,f,10,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:,I,R,= I,f,即：,又称为：电压跟随器！,11,3.,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,:,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。,12,4.,减法运算电路：,如图,6-3,所示：,实际应用中，要求,R1=R2,R3=,R,f,，,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,图,5-3,减法运算原理图,13,5.,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,14,设,UC(0) = O,则,15,6.,微分运算电路,：,微分运算电路,：,16,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：,17,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。,18,一、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：,19,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。,20,c.,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。,21,（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。,22,23,24,（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。,25,二、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）,26,27,无负载时：,有负载时：,28,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。,29,2,、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：,30,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,U,P,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。,31,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,A,U,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。,32,三、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,-20,dB/,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：,33,34,35,辐频特性： 不理想：,f,o,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,R,1,、,R,2,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。,36,37,四、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。,38,39,五、带通滤波器,将,LPF,和,HPF,相串联可以构成带通滤波器（,BPF,），,40,典型电路：,41,六、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：,42,43,