运算放大器(经典)ppt课件.ppt

1 第七章集成运算放大电路及其应用 2 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 3 4 集成运放的主要性能指标 1 差模开环放大倍数 AOd2 共模抑制比 KCMR3 差模输入电阻 RId4 输入偏置电流 IIB5 3dB带宽 fH6 输入失调电压及其温漂 UIO dUIO dT7 输入失调电压及其温漂 IIO dIIO dT 5 理想运放的主要性能指标 1 开环差模放大倍数 AOd 2 差模输入电阻 Rid 3 输出电阻 R0 04 共模抑制比 KCMR 5 3dB带宽 fBW fH 4 输入偏置电流 IIB 06 输入失调电压及其温漂 UIO dUIO dT 07 输入失调电压及其温漂 IIO dIIO dT 0 6 集成运算放大电路的电压传输特性 U0 f UP UN 7 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 UOM和 UOM 8 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AOd有 其中AOd非常高140dB 因而有 UP UN 0或UP UN 虚短 又因为 则 虚断 U0 AOd UP UN 9 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AOd 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 UP UN时 UO UOM当 UP UN时 UO UOM 2 又由于则 虚断 10 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 Ii If 11 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 IR If即 又称为 电压跟随器 12 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 13 4 减法运算电路 如图6 3所示 实际应用中 要求R1 R2 R3 Rf 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 14 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 15 设UC 0 O则 16 6 微分运算电路 微分运算电路 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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 22 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 23 24 25 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 26 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 27 28 无负载时 有负载时 29 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 30 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 31 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UP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 32 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AU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 33 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 20dB 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 34 35 36 辐频特性 不理想 fo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R1 R2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 37 38 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