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1、集成运算放大器理论及其应用,2014 10,8/27/2023,运放的基本理论运放的参数理想运放及其分析方法运放的应用电路运算放大器的选择运放的稳定工作,8/27/2023,半导体公司的运算放大器产品目录,运算放大器 高速放大器（大于等于 50MHz）(164)精密放大器(510)低功耗(117)低输入偏置电流/FET 输入(31)低噪声(45)宽带(135)低偏移电压(99)高电压(4)(40V)高输出电流(44)(100mA)标准线性放大器(206)比较器(82)仪表放大器(31)单电源(17)双电源(12)差动放大器(25)可编程增益放大器(11)隔离放大器(3)特殊功能放大器 跨导放大
2、器(3)对数放大器(7)多路复用器(4)乘法器(1)PWM 功率驱动器(16)可变增益放大器(21),种类繁多区别何在?如何选择?理解重要的技术参数是关键.,8/27/2023,集成运放选用一般原则,信号处理电路是数字化测量技术的重要环节。模拟信号的放大常选用集成运放。集成运放主要可分为 通用型、低失调型、高输入阻抗型、高速型、仪表运放、差分放大器、可程控增益型和隔离型等。首先要根据所放大信号的主要特点和系统环境选用合适的运放。在满足所需电气特性的前提下，选用性能价格比高、通用性强、市场货源充足的运放。,8/27/2023,集成运放选用一般原则,通用型运放直流性能较好，种类多，价格低。使用运放
3、数量较多时，可选择双运放或四运放，其特点是内部对称性好，可简化线路，缩小体积和降低成本。若信号源内阻很大，则可选用高输入电阻的运放。另外，像采样/保持、峰值检波、对数放大或反对数放大器、积分器和生物电信号的放大及提取、测量放大电路等均需选择高输入阻抗的集成运放。若放大线路要求低噪声、低漂移和高精度，则应选择低失调、低漂移的低噪声运放。视频信号的放大、处理等场合应选择高速宽带运放。总之，选择运放时，要视系统对放大电路的要求，作分析和耐心挑选，避免盲目选用高档的运放。,8/27/2023,对通用集成运算放大器的再认识,LM124/224/324 集成运放a）引脚功能 b）基准电压源应用 c）斯密特
4、触发电器,通用型运放的品种、规格、型号很多，各公司生产的型号有别，常用的有：A741、LM324、LM358、OP07、OP117、TL082/084等。,8/27/2023,单运放LM324的原理图,图3,8/27/2023,通用运放电路的结构特点,差分输入放大电路理想的差分电路应该完全平衡,元件参数严格匹配实际很难完全平衡,出现失调电压和失调电流.推挽输出电路(push-pull)降低输出电阻增强带负载能力输出电压一般摆幅取决于上拉管和下拉管的饱和压降Vces（Rail to Rail除外）最高输出正电压=V+-Vces最低输出负电压=V-+VcesCc补偿电容防止闭环应用出现自激振荡。高
5、速运放需要使用更小的电容，但闭环放大倍数不宜太小，否则太强的反馈容易引起自激振荡。,集成运放的输入失调现象,1.输入失调现象对集成运放的放大精度（零位及线性度）有重要影响，相关的参数有输入失调电压（input offset voltage）、输入失调电流（input offset current）和共模抑制比CMRR（common mode restriction ratio）。2.输入失调现象与集成运放输入级差分放大电路是否完全对称或平衡密切相关。如果构成差分放大电路的两个单端放大电路应该完全对称，这样可以保证对相同的输入（共模分量）有一致的放大，而差分输出值只反映两个输出端的电位差（即差模
6、信号），而两个输入端共有的共模分量则被相互抵消。3.实际的差分放大电路与理想的差分放大电路还是有差异。举例来说，图3中的LM324内部输入级Q1与Q4 的电流放大系数12，当输入差模信号为0，反向输入端和同相输入端都只包含相同的对地分量（即共模分量）时，组成差分放大电路的两个单端信号放大电路必然输出也不对称，也就是说差动输出不为零，这种现象就是运放的输入失调。当然还有其它要求对称的参数的失配同样会影响差分放大电路抑制共模信号的能力，如从运放两个输入端看出去的信号源内阻抗（包括信号导线的阻抗）不平衡就常常导致某些放大电路虽然采用了共模抑制性能优异的集成运放，但放大电路的共模抑制性能远远达不到集成
7、运放的共模抑制性能。,8/27/2023,8/27/2023,实际运放的参数-直流参数、交流参数,直流指标：输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。交流指标：开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。输入失调电压（VIO）：输入失调电压，简称VIO，其定义是为使运算放大器输出端为0V(或接近0V)所需加于两输入端间之补偿电
8、压。理想之运算放大器其VIO为0V，一般为毫伏级，此参数越小越好。反应了运放制造中电路的对称情况。输入偏置电流（IIB）：偏置电流（bias current）就是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流的平均值。此参数越小越好。输入失调电流（IIO）：输入失调电流（inputoffsetcurrent）两输入端输入偏置电流之差的绝对值。该值也是越小越好。4.差模输入电阻（RIN）：输入电阻（input resistance）两输入端间差动输入电阻。该值是越大越好。5.差模电压增益（AVD）：也称为差动电压增益，是指输出电压的变化量与输入电压变化量的比值,即电压放大倍数。,实际运放的参数,AVD通常
9、以dB表示AVD=20lgUo/UI(dB)理想放大器的AV无限大，实际情况 AVD为 100 140 dB。6.共模电压增益（AVC）：两输入端输入差模电压，输出电压的变化量与输入电压变化量之比。7.最大输出电压（VOM）：对于实际运算放大器，若振幅变大，则输出信号接近正、负电源电压进入饱和状态，出现失真。在出现失真之前的最大电压称为最大输出电压。8.共模输入电压范围（VICM）：这表示运算放大器两输入端与地之间能加的共模电压的范围。9.共模抑制比（KCMR）：差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比称为共模抑制比。可以表示为KCMR=20lg（AVD/AVC）dB。此值越大越好，但是会随
10、着信号的频率升高而下降，一般都大于80dB。10.电源电压抑制比（KSVR）：运放的失调电压随电源的变化率称为电源电压抑制比。即输出信号受电源电压的影响程度。若电源变化VS时失调电压变化量为VIo，则KSVR定义为：KSVR=20lg（VS/VIo）dB。此值越大越好，较小时输出中出现电源噪声。11.消耗电流（Icc）：这是运算放大器电源端流通用的电流，随外加电路与电源电压的不同而变化。消耗电流越小越好，较大时放大器发热增加引起输出直流漂移增大。,8/27/2023,实际运放的参数,11.转换速率（SR）：若输入信号变化快，则输出跟不上输入的变化速度。SR是表示这种跟踪性能的参数。该值越大越好
11、，但是该值高的运算放大器其他性能较差。12.增益带宽乘积（GB）：表示电压增益频率特性的参数，单位为MHZ。（单位增益带宽）。开环带宽BW:在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率从直流增益下降3dB所对应的信号频率定义为BW.单位增益带宽BWG:运放的低频闭环增益为1及正弦小信号激励下，闭环增益随频率从1下降到0.707所对应的频率定义为BWG.13.全功率带宽BWP:在运放闭环电压增益为1，输入正弦大信号，指定负载和指定失真度等条件下，使运发输出电压幅度达到最大值时的信号频率，定义为BWP，BWP简称功率带宽。BWP受SR的限制，它们之间的关系可近似表示为：式中：Vom是运放输出电压幅
12、度最大值,8/27/2023,实际运放的参数,14:建立时间tset:在运放闭环电压增益为1，规定负载并阶跃大信号条件下，运放输出电压达某一特定值范围所需的时间定义为tset.15.等效输入噪声电压en和电流in:屏蔽良好，无信号输入运放输出端出现的任何交流波形无规则的干扰电压称为运放的输出噪声电压，将它们换算到输入端时简称为等效输入噪声电压en或等效输入噪声电流in.还应当注意的一些参数:最高电源电压、功耗、工作温度、引线温度、输出电阻等。,8/27/2023,8/27/2023,理想运算放大器-理论分析,理想运算放大器的主要特点:(1)高增益：AV=开环电压放大倍数A为无限大。（线性区虚短
13、）(2)失调小：Ri=输入电阻Ri为无限大。（虚断）(3)恒压输出：输出电阻Ro为零。(4)频带宽 BW=(5)零输入零输出 VP=VN时 VO=0(6)没有温度漂移 KCMR=输入级的选择(1)直接耦合(2)零点漂移问题(3)差动输入级的优点:抑制零点漂移;输入失调小;输入阻抗高。,8/27/2023,理想运放的分析方法,线性区-工作在闭环负反馈状态 虚短 虚断 饱和区-工作在开环、正反馈状态 虚断 比较输出：反馈：把输出信号的一部分或全部以一定的方式送回输入电路中，以增强或减弱输入 信号的效应。理想运放的放大倍数为无穷大，实际运放的放大倍数也很大，利用负反馈可以控制放大器的放大倍数，提高增
14、益精度，避免放大倍数过大造成失真。同时引入负反馈还可以降低噪声、失真、输出阻抗，增大输入阻抗。,虚短和虚断的概念,由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往
15、不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故 通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性 称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。,8/27/2023,8/27/2023,运算放大器的典型应用电路,同相放大器：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。输入阻抗很大，但输入共模电压也大，共模抑制比CMRR引起的误差在高频时不可忽略。,反相放大器：反相放大电路：信号由“-”端输入，放大后的信号相位与放大前相差180度。输入阻抗由输入端的外界电阻决定，共模电压小，可以减小共模抑制比CMRR引起的
16、误差。,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要，调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,V+与V-虚短，则 V+=V-,因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2 的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得：I=Vo/(Rf+R1),Ui等于R1上的分压，即：Ui=I*R1,由此推导：Uo=（1+Rf/R1)Ui,8/27/2023,运算放大器的典型应用电路,差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。,积分运算电路：与反相放大电路相比，用电容C代替电阻Rf作为负反馈元件就成为积
17、分运算电路。容易得出，Uo=1/(RC)Ui dt，其中RC为积分时间常数,微分电路：微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波。1提取脉冲前沿（反应突变）2.高通滤波 3.改变相角（加）积分电路：积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。1.延迟、定时、时钟 2.低通滤波 3.改变相角（减）,8/27/2023,运算放大器的典型应用电路,波形变换,占空比D=Vin（max）/Vref,中心频率（Center Frequency）：滤波器通带的中心频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。截止频率（Cutoff
18、Frequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。通带带宽：指可以通过的信号的频谱宽度。,8/27/2023,运算放大器的典型应用电路,幅度鉴别：施密特触发器的翻转取决于输入信号是否高于V+或低于V-，利用此特性可以构成幅度鉴别器，用以从一串脉冲中检出符合幅度要求的脉冲。,用于脉冲的整形：利用施密特电路可以将失真的数字信号还原，消除电路带来的失真.,8/27/2023,运算放大器的典型应用电路,电压跟随器,定义：电压跟随器，就是输出电压与输入电压是相同的，电压跟随器的电压放大倍数接近1。特点：输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说
19、，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。作用：在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比 较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。,8/27/2023,电压/电流转换电路,电压电流转换电路：电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。应用：长距离传送模拟电压信号时，因信号源内阻及
20、电缆电阻产生压降，受信端输入阻抗越低相对压越大，误差也越大。若要高精度传送电压信号，必须把电压信号先变为电流信号，即进行电流传送.。如图所示为实用的电压-电流转换电路。A1构成同相求和运算电路，A2构成电压跟随器。图中R1=R2=R3=R4=R。可得到：Io=UI/Ro,8/27/2023,电流/电压转换电路,将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号。应用：在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号420mA，为此，常要先将其转换成10V；的电压信号，以便送给各类设备进行处理。如图所示为电流-电压转换电路。在理想运放条件下，输入电阻Ri=0，因而iF=iS，故输出电压 Uo=-IsRfRs比
21、Ri大得愈多，转换精度愈高。,8/27/2023,比较器电路,电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高。迟滞比较器：若电路加上正反馈则电路具有迟滞特性，也称为施密特触发器。波形变换:施密特触发器可用以将模拟信号波形转换成矩形波,正弦波信号同相转换成矩形波的例子,输出脉冲宽度可通过回差电压加以调节。脉冲的整形:利用施密特电路可以将失真的数字信号还原，消除电路带来的失真。幅度鉴别:施密特触发器的翻转取决于输入信号是否高于V+或低于V-，利用此特性可以构成幅度鉴别器，用以从一串脉冲中检出符合幅度要求的脉冲。PWM控制：,8/27/2023,HC7141,8/27/2023,HC
22、7173,8/27/2023,同理：,那么：,改变上述公式中的电阻的值时可以改变上述比列系数，但是必须满足R54、R55、R68、R69阻值相同，R38、R39、R72、R73阻值相同；2.5V的作用是保证在输入范围为正负10V时，输入到A/D芯片的信号范围为05V。,DAC3,8/27/2023,共模信号与共模抑制,常见的共模信号电桥电路的输出采样电流的电阻位于高端(high side)三相电气设备(如电机)的供电回路中逆变电路H桥高端多点接地时出现不同地电位信号输入回路与外电场发生静电耦合,8/27/2023,常见的共模信号,8/27/2023,电桥输出含共模,高端（high side）电
23、流采样电阻两端的电压含高共模信号,静电场耦合引起共模电压,电容耦合造成共模信号,不同地电位造成的共模信号,多点接地的地电位差引起的共模分量UG,运算放大器的选择,1.通用运算放大器：能适用大多数场合，但是满足不了一些特殊场合的要求。2.缓冲放大器：要求有非常高的输入阻抗和非常低的输出阻抗。3差模或差分放大器：差模放大电路有外部电阻和电容，所以它们的输入阻抗不高。但是能有效地抑制共模噪声。当信号电路的输出电阻与差模电路的输入电阻相当时差模放大电路不再适用。4.仪表测量放大器：仪表放大器具有非常高的输入阻抗以及高的共模抑制比，不存在电阻匹配问题。5.电流反馈型放大器（CFA）特点：有很宽的带宽，能
24、达到GHz。（VFA最高频率一般只能达到400MHz）缺点：输入阻抗低，最大电压摆低，性能不稳定，对寄生电容敏感6.功率放大器（PA）：当一个运放输出一定电压，并提供超过几百毫安的驱动电流的时候，就要考虑使用PA。7.音频放大器：特殊的功率放大器。,8/27/2023,如何让电路稳定工作,自激振荡：如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。基本放大电路必须由多级放大电路构成，以实现很高的开环放大倍数，然而在多级放大电路的级间加负反馈，信号的相位移动可能使负反馈放大电路工作不稳定，产生自激振荡。负反馈放大电路产生自己振荡的根本原因是AF（环路放
25、大倍数）附加相移。而这种相移主要是由寄生电容和负载电容引起的。相位补偿技术：加入校正网络，破坏自激条件。其基本思想是设法拉开开环增益函数第一个极点频率和第二个极点频率之间的频率间隔。,8/27/2023,如何让电路稳定工作,电容滞后补偿：若AF的幅频特性在0dB以上只有一个转折频率（拐点），且下降斜率为20dB/十倍频，则属于只有一个RC回路的频率响应，最大相移不超过90。若在它的第二个转折频率（拐点）处对应的，且此处的最大相移为135(有45的相位裕度)，这样的负反馈放大电路是稳定的，因此电容滞后补偿即按此思路进行。根据以上分析，可以实现的方法是将 减小。而实现 减小的方法就是在第一级放大之后加一个电容，即滞后补偿。只要选择合适的电容C，使得修改后的幅频特性曲线上，以20dB/十倍频斜率下降的的这一段曲线与横轴的交点刚好在第二个转折频率fH2处，如图中的实线所示，所以负反馈放大电路一定不会产生自激振荡。,8/27/2023,如何让电路稳定工作,8/27/2023,未加电容 加电容后,
