集成运放，模拟电子

1,集成放大器的应用,电子杯培训主讲：李玉柏,2,一、运算放大器概念,1、概述什么是运算放大器：运算放大器是具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压或电流放大单元。,3,理想运放放大特性,输入级：由差放构成，减小零点漂移和抑制干扰中间级：共射放大电路，用于电压放大输出级：互补对称电路降低输出电阻偏置电路：由恒流源电路构成。确定运放各级的静态工作点,4,理想运放放大特性,输入级,输出级,放大级,5,最常用的OP07和741,以典型的 741或 OP07为例 ： 2反相输入端 3同相输入端 6输出端 7正电源端 4负电源端 1、5接调零电位器 8闲置端（NC）,6,单个集成电路中可以包含多个运放,7,单个集成电路中可以包含多个运放,8,2、理想运放模型,理想运算放大器有两种工作模式，三种状态线性放大通常模式饱和工作正向饱和工作负向饱和工作,9,分析运放线性区应用的依据：两个输入端无电流，两个输入端之间开路；两个输入端“虚短路”，,理想运放特性（线性区）,电路中必须存在负反馈,10,分析运放饱和区应用的依据：两个输入端无电流，两个输入端之间开路；比较两个输入端电压大小。,电路中可以存在、也可以不存在负反馈,11,理想运放用数学关系式描述：,通常比电源电压低12V headroom,饱和状态,线性状态,12,理想运放的简化电路,13, 输入失调电流,3、线性工作时理想运放放大的参数特性, 输入失调电压, 开环电压放大倍数, 差模输入电阻, 输出电阻, 频带无限宽, 共模抑制比, 干扰和噪声都不存在,14,二、集成运放的基本组态,1、反相放大组态,15,闭环电压增益,反相跟随器,虚地：反相输入端没有真正接地，而具有地电位。,实质：电压并联负反馈特点：输入阻抗和输出阻抗低,16,例1：,已知 ，试画出输出波形。,解：,输出波形,受 的限制,17,例2：,求输出的表达式。,解：利用叠加原理,虚短路,同理,令,18,2、同相放大组态,否则饱和,19,电压串联负反馈，输入电阻很大；理想运放，输入电阻为无穷大。用处很广！,同相跟随器,20,3、差分放大组态,反相放大组态和同相放大组态二者结合,输入信号 可以认为是 ，利用叠加原理，分别计算 对输出的贡献 和 ，然后合成，即,21,22,结论：运放特性理想且外接元件参数满足特定条件（ ），差分运算放大器只对差模输入信号实现运算，输出无共模分量，且闭环增益仅取决于外接电阻比。,23,三、集成运算放大器的基本应用,1、信号放大及检测电路1） 高输入阻抗放大器：同相串联差分式高输入阻抗放大器,24,差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。,25,2） 可编程增益放大器,若 接通， 则,可编程增益放大器的基本电路,若 接通， 则,若 接通， 则,若 接通， 则,26,放大器有4种增益水平，其大小取决于外电阻 ，改变电阻大小即可改变增益。,如果在电路中接入译码器B对开关 进行控制，则可以减少控制位数。,27,码控四段转换可编程增益放大器,为数字选通信号，译码输出后控制 开关的选通。,28,2 测量放大器（仪器放大器）,均为同相输入，具有双端输入、双端输出形式。 为差分组态，实现减法运算。,29,输出与输入之间成线性放大关系。调节电位器 即可方便地改善增益。,电路特点：输入电阻极高。 共模抑制比极高。 增益调节方便。,30,通用仪用放大器AD524内部结构框图,31,AD524的两种增益设定,PIN增益编程,32,AD524的两种增益设定,电阻增益编程,33,3、信号运算电路,1） 利用运算放大器进行全加和运算,34,例3：,试用一个运算放大器构成 如下运算关系 且要求每路输入电阻不 小于,解：选 则 由 解得,35,2）积分器和微分器 a）积分器,结论：输出电压与输入电压的积分成正比。利用积分器可以构成线性良好的扫描电路。,36,例4： 电路如下图所示，求输出电压 表达式。,解：,37,b）微分器,将积分器电路中电容和电阻的位置调换，就构成微分器。,输出电压与输入电压的微分成正比。,38,3）、电压比较器,作用：判断输入信号电压之间的相对大小。输出的两种稳定工作状态： 高电平输出 低电平输出,（1）单限比较器 为参考电平。 当 时， ； 当 时， 。,39,LM139/339系列集成电压比较器，由4个独立的精密电压电压比较器组成，具有低功耗、低失调的特点，输入失调电压2mV，失调电流3nA，可在单双电源下工作。,40,例5：已知 的输出 ， ， ， ， 为理想二极管。试分析电路的工作原理，画出传输特性曲线。,解：只要 中任有一个为高电平，输出 即为高电平；,只有 均为低电 平，输出 才为低电平；“与”逻辑。,41,分析,传输特性曲线,42,4.波形产生电路（1）正弦波文氏桥振荡器,桥形 网络接在输出端与同相输入端之间，则起振条件应当是相移等于零。令：,则,零相移桥式振荡器,43,相移在某个频率上为零，则虚部为零,满足幅度平衡条件的运放的闭环增益等于3,44,（2）方波发生器,运放：比较器利用电容两端电压和 相比较，来决定输出是高电平还是低电平。高电平，电容充电；低电平，电容放电。电容两端电压的变化又使输出不断翻转，得到方波。,45,瞬态电路三要素公式,46,（3）限幅电路,单向限幅器,特点：当输入信号进入限幅区后，输出信号不再跟随输入信号变化，而保持在某个固定值上。,47,二极管的接法决定了对输出电压的正向进行限幅。如果要进行负向限幅，只要将图中的二极管和稳压管都反接一下即可。 若想获得双向限幅效果，只要将二极管换成稳压管，背靠背串接即可。,传输特性,48,四. 基于运放的有源滤波电路(略)（1）低通滤波器,一阶有源低通滤波器（反相型）,功能：使低于某一频率(如 )的信号能通过，而高于 的信号不能通过。,49,则,归一化的幅频特性,截止频率,50,目的：提高增益和带负 载能力,同相型,方法：可将RC无源网络 接到运放的同相 输入端,改进低通滤波器,51,缺点：滤波效果不够好。理想的低通滤波器，其幅频特性应该呈矩形。,上图所示低通滤波器的幅频特性，在 时有3dB衰减；而当 时，以20dB/10倍频程的速率下降，衰减不够快。,当 时，其电压增益为常数；当 时，其电压增益为零。,52,二阶有源低通滤波器电路,53,为不同值时对幅频特性的影响,需要指出:当 时， 将趋于无穷大，意味着电路将产生自激振荡，因此 必须小于 ，且要求元器件性能稳定。,54,（2）高通滤波器,将低通滤波器中起滤波作用的电阻、电容互换即可变成高通滤波器。两者是“镜像”关系 。,二阶有源高通滤波电路,55,二阶有源高通滤波电路,幅频特性,56,（3）带通滤波器,功能：允许某一频带内的信 号通过，而处于该频 带外的信号都不能通 过。可以由低通和高 通电路结合而成。,57,典型的带通滤波电路,频带宽度,中心角频率,品质因数,优点：改变 和 的比例就可改变频带宽度而不影响中心频率。,58,（4）带阻滤波器,功能：在规定的频带内信号 不能通过(或受到很 大衰减)，而在其余 频率范围，则信号能 顺利通过。,原理方框图,59,如果是阻止某一频率分量通过，则一般称这种带阻滤波器为陷波器。,60,也可以直接接成陷波网络实现,陷波器,61,实际工程简化应注意的几点：,对输入为交流信号的运放电路，可以将模型中电压源短路，电流源开路。对反相输入的运放，共模抑制比可忽略不计。对同相输入的运放，共模抑制比引入的误差就不可忽略。可以将失调误差和增益误差分别考虑，然后叠加组合，得到总误差。如果讨论某个(些)参数的影响，则其它参数可视为理想的。,62,五、电流反馈运算放大器(Current Feedback Amplifier，CFA),1、CFA的方框图和符号输入缓冲级 ：具有高输入电阻低输出电阻的 单位电压增益级 互阻放大级 输出缓冲级 ：具有低输出电阻的单位电压增 益级,CFA简化方框图,63,CFA符号,有些CFA将增益调节点单独接到一个引出端,64,2. 电流模运放的典型电路,65,3. CFA电路模型及模型参数,输出级和输入级：分别用具有单位电压增益的电压缓冲级等效。中间级：即互阻增益级，接在输入缓冲器之后，经无源元件把缓冲级输出电流线性转换成电压。 电流反馈运放以互阻增益为传输特性参数,66,CFA以互阻增益 为传输特性参数,直流（低频）互阻增益电阻，由上、下电流镜的输出电阻决定,相位补偿电容（包括该增益节点的寄生电容） （为零）,反相端输入电阻 （为零）,同相端输入电阻 （无穷大）,输出缓冲器的输出电阻,67,4. 电流模运放基本放大组态,（1）反相放大组态 1）闭环直流（低频）电压放大倍数,忽略,可视为开路，则,68,与电压模运放的反相放大组态结果相同，但二者运放内部电路工作原理是不相同的,69,2）闭环频率特性,必须考虑,70,由 比值决定，改变 可调节增益，对带宽没影响。,由时间常数 决定,71,（2）同相放大组态,1）闭环直流(低频)电压放大倍数,忽略,72,与电压模运放的同相放大组态结果相同,73,5. 电流模运放应用,宽带程控放大器设计,74,电流模运放应用,75,电流模运放举例,76,Good lucky with you。,谢谢大家！,77,附件1：什么是rail to rail,有一类特殊的放大器具有非常低的端边占用电压（headroom）要求，称之谓输出摆幅与供电电压相同（轨至轨rail to rail）放大器。由于它们独特的功能可工作在它们的输人and/or输出范围的极限值。在或接近地and/or接近正端（在几个毫伏之内）。这样就显著地增大了系统的动态范围。达到几乎整个电源电压范围。,78,传统的运算放大器输入设计,采用NPN双结型晶体管（BJT）：该型器件具有高带宽，较低的噪声和低漂移优点，但消耗的电流较大；采用场效应结型晶体管（FET）：该型器件具有非常高的输入阻抗，非常低的漏（偏置）电流和低失真优点。这两种设计都要求在双电源即+和-电源下工作并且要求在每一端有23V的端边占用电压（headroom）以便有效地工作在它们的线性范围之内。,79,传统的运算放大器输出设计,传统运放的输出级使用一个按A