模拟电子设计技术运算放大器

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1、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,*,模拟电子设计技术运算放大器应用设计,韶关学院电子系,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,1 运算放大器的基本特性,输入偏置电流I,IB,:表示了运放输入端正常工作时需提供的偏置电流，它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻。,I,IB,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0。,输入失调电压V,IO,:反映了运放芯片本身输入级差分对管的对称程度，所以当VI=0时，VO0。为了使输出为0，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）即为V,IO,。愈小

2、愈好，理想运放V,IO,=0。,输入失调电流I,IO,: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。I,IO,=I,P,-I,N,。,运算放大器的基本特性,开环增益,:直接影响运算精度和许多特性指标，,A,o愈大愈好。理想运算放大器,A,o为无穷大。,差模输入电阻,r,id,:,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。,r,id,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,r,id,对信号源而言，就相当于它的负载。理想运放的,r,id,为无穷大。,理想运放,输出电阻ro,。理想闭环电路ro=0，ro表征器件对负载的驱动能力。,带

3、宽BW,，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1（即0dB）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愈小。运放的BW主要由芯片内部的器件与电路决定。理想运放的BW 为无穷大。,供电电源:,单极性，双极性。理想运放供电不受限制。,功耗P,C,：,理想运放为零,共模抑制比CMRR：,反应了芯片对共模信号的抑制能力,输入噪声V,n,：,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

4、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,是指每平方根赫兹的有效(RMS)噪声电压（通常单位为nV/）,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）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压

5、，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。,运算放大器的基本特性,2运算放大器的一个重要特性三“虚”,虚断,虚地,虚短,1 基本放大电路,放大倍数:,输入电阻:,输出电阻:,R,i,=R,1,R,o,=0,R,i,=r,ic,R,o,=0,R,ic:,运放同相端对地共模输入电阻，一般为10,8,欧。,平衡电阻:,R,P,=R,1,/R,F,2 差分输入放大电路,输入输出关系:,如何实现,U,o,=(U,i2,-U,i1,)K,?,R,1,=R,3,R,2,=R,4,2 差

6、,分,分输入,放,放大电,路,路,输入输,出,出关系:,U,i1,U,i2,输入电,阻,阻无穷,大,大,便,携,携式电,子,子产品,中,中应用,2 差,分,分输入,放,放大电,路,路,输入输,出,出关系:,R,1,=R,2,输入电,阻,阻无穷,大,大,完,成,成双极,性,性到单,极,极性放,大,大.常,用,用于仪,表,表放大,电,电路,3 精,密,密整流,放,放大电,路,路,U,i,大于零,时,时,二,极,极管导,通,通情况:,D,2,导通,D,1,截止,U,i,小于零,时,时,二,极,极管导,通,通情况:,D,1,导通,D,2,截止,如果:,4 微,分,分电路,反馈电,流,流设置,在,在0.

7、10.5mA,缺点:,信,信号频,率,率增加,时,时,电,容,容容抗,减,减小,放,放大倍,数,数增加.对高,频,频噪声,敏,敏感.,实用微,分,分电路,RC,1,=R,f,C,5积分,电,电路,C,f,小于1uF,缺点:,低,低频时,电容,容,容抗很,大,大,放,大,大倍数,增,增加.,实用积,分,分电路,R10R,1,6 比,较,较器,7 窗,比,比较器,8 RC正弦,波,波振荡,器,器,文氏电,桥,桥,振荡频,率,率,起振条,件,件,稳定条,件,件,8 RC正弦,波,波振荡,器,器,双T正,弦,弦波振,荡,荡器,振荡频,率,率,振荡频,率,率,起振条,件,件,9 方,波,波信号,发,发生

8、器,10,阶,阶梯波,发,发生器,一个方,波,波周期,内,内,阶梯波,周,周期,11,自,自举式,交,交流电,压,压放大,器,器,放大倍,数,数:,输入电,阻,阻:,耦合电,容,容:,R,i,=R,1,12,单,单电源,供,供电的,交,交流电,压,压放大,器,器,13,方,方波,三,三角波,产,产生电,路,路,a断开,时,时,，,U,+,=U,-,=0,假,假设U,O1,=V,CC,得：,同理，U,O1,=-V,CC,时，可,得,得,13,方,方波,三,三角波,产,产生电,路,路,U,O1,=V,CC,时,13,方,方波,三,三角波,产,产生电,路,路,三角波,周,周期,三角波,频,频率,三角

9、波,幅,幅度,14,方,方波,锯,锯齿波,产,产生电,路,路,锯齿波,周,周期,锯齿波,频,频率,锯齿波,幅,幅度,14,三,三角,波,波正,弦,弦波变,换,换,15,滤,滤波,器,器设计,滤波器,幅,幅频特,性,性,15,滤,滤波,器,器设计,三种类,型,型的有,源,源低通,滤,滤波器,滤波器,的,的品质,因,因数Q,，,，也称,为,为滤波,器,器的截,止,止特性,系,系数，,其,其值决,定,定于f=f,0,附近的,频,频率特,性,性。,巴特沃,斯,斯：Q=0.707,幅频,特,特性无,峰,峰值，,在,在f=f,0,附近处,的,的特性,曲,曲线单,调,调减,切比雪,夫,夫：Q=1,f=f,0

10、,附近的,截,截止特,性,性最好,，,，曲线,衰,衰减最,陡,陡。但,通,通带有,幅,幅频特,性,性有峰,值,值,贝塞尔,：,：Q=0.56,过,渡,渡特性,最,最好，,相,相频特,性,性无峰,值,值,二阶RC滤波,器,器传输,函,函数,类型,传输函数,性能参数,低通,高通,带通,带阻,AV,电,电压增,益,益,c,高低,通,通滤波,器,器截止,频,频率,0,带通,、,、带阻,滤,滤波器,中,中心频,率,率,Q,品质,因,因数,或,当,BW,带,带通带,阻,阻滤波,器,器带宽,常用电,路,路类型,VCVS:运,放,放为同,相,相输入,，,，输入,电,电阻很,高,高，输,出,出电阻,很,很低，,

11、滤,滤波器,相,相当于,一,一个电,压,压源。,优,优点为,电,电路性,能,能稳定,，,，增益,易,易调节,。,。,MFB:运放,为,为反相,输,输入，,输,输出端,通,通过C1R2,形,形成两,条,条反馈,支,支路，,故,故称无,限,限增益,多,多路反,馈,馈电路,。,。优点,是,是电路,有,有倒相,作,作用，,使,使用元,器,器件较,少,少，但,增,增益调,节,节对其,性,性能参,数,数会有,影,影响，,故,故应用,范,范围比VCVS电路,少,少。,二阶有,源,源低通,滤,滤波器,设,设计,C3:,抑,抑制尖,峰,峰脉冲,，,，通常2251pF,二阶有,源,源低通,滤,滤波器,设,设计,方

12、法一,：,：令A,V,=1,R,1,=R,2,=R,R,3,为无穷,大,大,由于通,频,频带增,益,益A,V,=1,因,因而工,作,作稳定,，,，故适,用,用于高Q值电,路,路,二阶有,源,源低通,滤,滤波器,设,设计,方法二,：,：令R,1,=R,2,=R,C,1,=C,2,=C,品质因,数,数Q值,按,按照近,似,似特性,，,，有如,下,下分类,：,：,Q0.707,巴,特,特沃斯,特,特性,Q0.58,，,，贝塞,尔,尔特性,Q0.96,切,切比,雪,雪夫特,性,性,二阶有,源,源高通,滤,滤波器,设,设计,二阶有,源,源高通,滤,滤波器,设,设计,方法一,：,：令A,V,=1,C,1,

13、=C,2,=C,方法二,：,：令C,1,=C,2,=C，R,1,=R,2,=R,二阶有,源,源带通,滤,滤波器,设,设计,RCR,3,C,1,才能,形,形成通,带,带,改变R,F,和R,1,的比例,，,，可改,变,变带宽,和,和通带,增,增益而,中,中心频,率,率不变,。,。,A,uf,=1+R,F,/R,1,二阶有,源,源带阻,滤,滤波器,设,设计,由低通,和,和高通,无,无源RC网络,并,并联成,双,双T网,络,络，在,与,与运放,和,和电阻,组,组成二,价,价带阻,滤,滤波器,改变R,F,和R,1,的比例,，,，可改,变,变带宽,和,和通带,增,增益而,中,中心频,率,率不变,。,。,A

14、,uf,=1+R,F,/R,1,RC有,源,源滤波,器,器快速,设,设计,设计步,骤,骤,1.根,据,据截止,频,频率f,c,，选定,一,一个电,容,容C,的,的标称,值,值，使,其,其满足K=100/(f,c,C)，C的单,位,位为uF。K,值,值不能,太,太大，,否,否则会,使,使电阻,的,的取值,较,较大，,从,从而使,引,引入的,误,误差增,加,加，通,常,常取大,于,于等于1，小,于,于等于10。,2.查,表,表，得,出,出与Av对应,的,的电容,值,值及K=1时,的,的电阻,值,值，再,将,将这些,电,电阻值,乘,乘以参,数,数K，,得,得出电,阻,阻的设,计,计值。,3.实验,调

15、,调整并修,改,改电容电,阻,阻值，测,量,量滤波器,的,的性能参,数,数,设计举例,设计一个,二,二阶压控,电,电压源低,通,通滤波器,，,，要求截,止,止频率f,c,=2KHz，增益Av=2,1、取C=0.01uF,K=100/(fcC)=100/(2000*0.01)=5,2、查表,：,：Av2时，C,1,=C=0.01uF,K=1时,，,，R,1,=1.126K,R,2,=2.250K,R,3,=6.752K,R,4,=6.752K,3、将上,述,述电阻值,乘,乘以参数K=5，,得,得：,R,1,=51.126K=5.63K,R,2,=52.250K11.25K,R,3,=R,4,=5

16、6.752K33.76K,3.3.2 FilterLab,滤,滤波器辅,助,助设计工,具,具,FilterLab2.0,是,是美国Microchip,公,公司推出,的,的一款创,新,新的滤波,器,器免费下,载,载软件。,使,使用该软,件,件避免了,传,传统滤波,器,器设计的,繁,繁琐计算,。,。使设计,大,大大简化,。,。,该软件所,设,设计的滤,波,波器具有,：,：,（1）巴,特,特沃斯、,贝,贝塞尔、,切,切比雪夫,三,三种类型,，,，其中贝,塞,塞尔只有LPF一,类,类滤波器,。,。,（2）阶,数,数18,。,。,（3）增,益,益110。,（4）LPF、BPF、HPF三种,类,类型。,（5）有,塞,塞林凯和,多,多重反馈,二,二种电路,形,形式。,（6）通,带,带截止频,率,率（Passband frequency,）,）：0.1Hz1MHz,。,。,（7）品,质,质因素Q,：,：0.55.0,（8）阻,带,带衰减（StopbandAttenuation,）,）：10dB100dB,3.3.3 开,关,关电容滤,波,波器,1开关,电,电容滤波,的,的基本原,理,理,图3.3.13