模拟电子设计技术--运算放大器

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1、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,

2、-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,:指的是输入端参加差模信号时，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

3、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：反响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，我们通常能做的有：1）选择噪声较小的运放。2）想方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

4、。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，输出信号所能到达的最大变化率，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，以抵消运放本身的失调电压，到达调零的目的。,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

5、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 差分输入放大电路,输入输出关系:,U,i1,U,i2,输入电阻无穷大,便携式电子产品中应用,2 差分输入放大电路,输入输出关系:,R,1,=R,2,输入电阻无

6、穷大,完成双极性到单极性放大.常用于仪表放大电路,3 精密整流放大电路,U,i,大于零时,二极管导通情况:,D,2,导通,D,1,截止,U,i,小于零时,二极管导通情况:,D,1,导通,D,2,截止,如果:,4 微分电路,反响电流设置在0.10.5mA,缺点:信号频率增加时,电容容抗减小,放大倍数增加.对高频噪声敏感.,有用微分电路,RC,1,=R,f,C,5积分电路,C,f,小于1uF,缺点:低频时,电容容抗很大,放大倍数增加.,有用积分电路,R10R,1,6 比较器,7 窗比较器,8 RC正弦波振荡器,文氏电桥,振荡频率,起振条件,稳定条件,8 RC正弦波振荡器,双T正弦波振荡器,振荡频率

7、,振荡频率,起振条件,9 方波信号发生器,10 阶梯波发生器,一个方波周期内,阶梯波周期,11 自举式交流电压放大器,放大倍数:,输入电阻:,耦合电容:,R,i,=R,1,12 单电源供电的交流电压放大器,13 方波三角波产生电路,a断开时,，,U,+,=U,-,=0,假设U,O1,=V,CC,得：,同理，U,O1,=-V,CC,时，可得,13 方波三角波产生电路,U,O1,=V,CC,时,13 方波三角波产生电路,三角波周期,三角波频率,三角波幅度,14 方波锯齿波产生电路,锯齿波周期,锯齿波频率,锯齿波幅度,14 三角波正弦波变换,15 滤波器设计,滤波器幅频特性,15 滤波器设计,三种类

8、型的有源低通滤波器,滤波器的品质因数Q，也称为滤波器的截止特性系数，其值决定于f=f,0,附近的频率特性。,巴特沃斯：Q=0.707,幅频特性无峰值，在f=f,0,附近处的特性曲线单调减,切比雪夫：Q=1,f=f,0,附近的截止特性最好，曲线衰减最陡。但通带有幅频特性有峰值,贝塞尔：Q=0.56,过渡特性最好，相频特性无峰值,二阶RC滤波器传输函数,类型,传输函数,性能参数,低通,高通,带通,带阻,AV电压增益,c,上下通滤波器截止频率,0,带通、带阻滤波器中心频率,Q,品质因数,或,当,BW带通带阻滤波器带宽,常用电路类型,VCVS:运放为同相输入，输入电阻很高，输出电阻很低，滤波器相当于一

9、个电压源。优点为电路性能稳定，增益易调节。,MFB:运放为反相输入，输出端通过C1R2形成两条反响支路，故称无限增益多路反响电路。优点是电路有倒相作用，使用元器件较少，但增益调节对其性能参数会有影响，故应用范围比VCVS电路少。,二阶有源低通滤波器设计,C3:抑制尖峰脉冲，通常2251pF,二阶有源低通滤波器设计,方法一：令A,V,=1,R,1,=R,2,=R,R,3,为无穷大,由于通频带增益A,V,=1,因而工作稳定，故适用于高Q值电路,二阶有源低通滤波器设计,方法二：令R,1,=R,2,=R,C,1,=C,2,=C,品质因数Q值按照近似特性，有如下分类：,Q0.707,巴特沃斯特性,Q0.

10、58，贝塞尔特性,Q0.96 切比雪夫特性,二阶有源高通滤波器设计,二阶有源高通滤波器设计,方法一：令A,V,=1,C,1,=C,2,=C,方法二：令C,1,=C,2,=C，R,1,=R,2,=R,二阶有源带通滤波器设计,RCR,3,C,1,才能形成通带,改变R,F,和R,1,的比例，可改变带宽和通带增益而中心频率不变。,A,uf,=1+R,F,/R,1,二阶有源带阻滤波器设计,由低通和高通无源RC网络并联成双T网络，在与运放和电阻组成二价带阻滤波器,改变R,F,和R,1,的比例，可改变带宽和通带增益而中心频率不变。,A,uf,=1+R,F,/R,1,RC有源滤波器快速设计,设计步骤,1.根据

11、截止频率f,c,，选定一个电容C 的标称值，使其满足K=100/(f,c,C)，C的单位为uF。K值不能太大，否则会使电阻的取值较大，从而使引入的误差增加，通常取大于等于1，小于等于10。,2.查表，得出与Av对应的电容值及K=1时的电阻值，再将这些电阻值乘以参数K，得出电阻的设计值。,3.实验调整并修改电容电阻值，测量滤波器的性能参数,设计举例,设计一个二阶压控电压源低通滤波器，要求截止频率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,

12、2,=2.250K,R,3,=6.752K,R,4,=6.752K,3、将上述电阻值乘以参数K=5，得：,R,1,=51.126K=5.63K,R,2,=52.250K11.25K,R,3,=R,4,=56.752K33.76K,3.3.2 FilterLab滤波器辅助设计工具,FilterLab2.0是 Microchip公司推出的一款创新的滤波器免费下载软件。使用该软件防止了传统滤波器设计的繁琐计算。使设计大大简化。,该软件所设计的滤波器具有：,（1）巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有LPF一类滤波器。,（2）阶数18。,（3）增益110。,（4）LPF、BPF、HPF三种

13、类型。,（5）有塞林凯和多重反响二种电路形式。,（6）通带截止频率（Passband frequency）：0.1Hz1MHz。,（7）品质因素Q：0.55.0,（8）阻带衰减（Stopband Attenuation）：10dB100dB,3.3.3 开关电容滤波器,1开关电容滤波的基本原理,图3.3.13（a）的简单一阶LBP/滤波器，通带截止频率fp=1/2，=RC。与其特性相同的开关电容滤波器由,MOS,模拟开关，集成电容和运放OA组成，如图（b）所示。模拟开关S,1,、S,2,，电容C,1,模拟等效的电阻,R,。其阻值受模拟开关切换频率（时钟频率）,f,CLK,和,C,1,操作。图（

14、b）中驱动两只模拟开关的时钟信号分别为A和/A，两者反相。,C,2,为积分电容。,开关电容滤波的基本原理,在A的正半周，,S,1,闭合、,S,2,断开，电容,C,1,被充电到，在（=1/,f,CLK,）期间所积累的电荷Q=VixC1；,平均输入电流i,i,=V,i,xC1/T,c,。其等效模拟电阻为,R,i,=V,i,/i,i,=1/Cf,clk,在/A的正半周，,S,1,断开、,S,2,闭合，,C,1,上的电荷将转移至,C,2,。,电路的等效时间常数为t=R,i,C2=C2/C1f,CLK,开关电容滤波的基本原理,在集成芯片制造时，两个电容之比可视为两个电容的面积之比，其误差可操作在1%以内

15、，从而保证了滤波器电参数的稳定性。,f,CLK,可以很容易的改变，相对也比较容易得到等效的较大容量的电容。当然，通过操作f,CLK,可以有效的操作滤波器的频率特性，如f,p,。,当f,CLK,由晶振振荡器提供时，更是保证了滤波器电参数的稳定性和准确性。由于上述优点，加上结构简便，使用灵活，使其得到愈来愈广泛的应用，本身的开展也很迅速。,谢谢观看,/,欢送下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH,