集成运算放大器及其应用电路.ppt

6 2集成运放性能参数及对应用电路的影响 6 4集成电压比较器 6 3高精度和高速宽带集成运放 6 1集成运放应用电路的组成原理 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 1集成运放应用电路的组成原理 根据集成运放自身所处的工作状态 运放应用电路分 线性应用电路和非线性应用电路两大类 线性应用电路 Z1或Zf采用非线性器件 如三极管 则可构成对数 反对数 乘法 除法等运算电路 Z1或Zf采用线性器件 R C 则可构成加 减 积分 微分等运算电路 组成 集成运放外加深度负反馈 因负反馈作用 使运放小信号工作 故运放处于线性状态 第6章集成运算放大器及其应用电路 非线性应用电路 组成特点 运放开环工作 由于开环工作时运放增益很大 因此较小的输入电压 即可使运放输出进入非线区工作 例如电压比较器 6 1 1集成运放理想化条件下两条重要法则 因 则 因 则 第6章集成运算放大器及其应用电路 说明 相当于运放两输入端 虚短路 虚短路不能理解为两输入端短接 只是 v v 的值小到了可以忽略不计的程度 实际上 运放正是利用这个极其微小的差值进行电压放大的 同样 虚断路不能理解为输入端开路 只是输入电流小到了可以忽略不计的程度 相当于运放两输入端 虚断路 实际运放低频工作时特性接近理想化 因此可利用 虚短 虚断 运算法则分析运放应用电路 此时 电路输出只与外部反馈网络参数有关 而不涉及运放内部电路 第6章集成运算放大器及其应用电路 集成运放基本应用电路 反相放大器 类型 电压并联负反馈 因 则 反相输入端 虚地 因 则 由图 输出电压表达式 输入电阻 输出电阻 因 因深度电压负反馈 第6章集成运算放大器及其应用电路 同相放大器 类型 电压串联负反馈 因 则 注 同相放大器不存在 虚地 因 由图 输出电压表达式 输入电阻 输出电阻 因深度电压负反馈 因 则 第6章集成运算放大器及其应用电路 同相跟随器 由图得 因 由于 所以 同相跟随器性能优于射随器 归纳与推广 当R1 Rf为线性电抗元件时 在复频域内 反相放大器 同相放大器 得 注 拉氏反变换时 第6章集成运算放大器及其应用电路 加 减运算电路 反相加法器 6 1 2运算电路 因 则 因i 0 则 即 整理得 说明 线性电路除可以采用 虚短 虚断 概念外 还可采用叠加原理进行分析 第6章集成运算放大器及其应用电路 同相加法器 利用叠加原理 则 减法器 令vs2 0 则 令vs1 0 第6章集成运算放大器及其应用电路 积分和微分电路 有源积分器 方法一 利用运算法则 方法二 利用拉氏变换 拉氏反变换得 第6章集成运算放大器及其应用电路 方法三 利用运算法则 有源微分器 方法一 利用拉氏变换 拉氏反变换得 第6章集成运算放大器及其应用电路 方法二 利用运算法则 波形变换 输入方波 积分输出三角波 微分输出尖脉冲 波形变换 积分电路 微分电路 对数 反对数变换器 对数变换器 利用运算法得 由于 整理得 缺点 vo受温度影响大 动态范围小 vs必须大于0 第6章集成运算放大器及其应用电路 改进型对数变换器 由图 由于 很小 则 T1 T2特性相同 利用R4补偿VT 改善温度特性 vS大范围变化时 vO变化很小 第6章集成运算放大器及其应用电路 反对数变换器 指数变换器 利用运算法则得 由于 整理得 缺点 vs必须小于0 vo受温度影响大 第6章集成运算放大器及其应用电路 乘 除法器 因T1 T2 T3 T4构成跨导线性环 则 分析方法一 由图 整理得 实现乘 除运算 第6章集成运算放大器及其应用电路 分析方法二 A4反对数放大器 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 1 3精密整流电路 精密半波整流电路 利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性 构成对微小幅值电压进行整流的电路 vI 0时 vO 0 D1 D2 vO 0 vI 0时 vO 0 D1 D2 vO 0 vI0 D1 D2 vO R2 R1 vI 工作原理 输入正弦波 输出半波 第6章集成运算放大器及其应用电路 精密转折点电路 当v 0 即vI R3 R1 VR时 当v 0 即vI R3 R1 VR时 由图 vO 0 D1 D2 vO 0 D1 D2 则vO 0 则 第6章集成运算放大器及其应用电路 精密转折点电路实现非线性的函数 R R1 R R2 R R3 传输特性 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 1 3仪器放大器 仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器 特点 KCMR很高 Ri很大 Av在很大范围内可调 三运放仪器放大器 由 得 由 得 由减法器A3得 若R1 R2 R3 R5 R4 R6 整理得 第6章集成运算放大器及其应用电路 有源反馈仪器放大器 可证明 采用严格配对的低噪声对管和精密电阻 可构成低噪声 高精度 增益可调的仪器放大器 第6章集成运算放大器及其应用电路 仪器放大器的应用 仪器放大器单片集成产品 LH0036 LH0038 AMP 03 AD365 AD524等 例 仪器放大器构成的桥路放大器 温度为规定值时 RT R 路桥平衡 vo 0 温度变化时 RT R 路桥不平衡 vo产生变化 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 1 5电流传输器 电流传输器 通用集成器件 广泛用于模拟信号处理电路中 电流传输器电路符号及特点 Y输入端 iY 0 即RY X输入端 vX vY 且vX与iX大小无关 RX 0 Z输出端 iZ iX 且iZ与vZ大小无关 第6章集成运算放大器及其应用电路 电流传输器构成的模拟信号处理电路 互导放大器 互阻放大器 电流放大器 第6章集成运算放大器及其应用电路 负阻变换器 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 2集成运放性能参数及对应用电路影响 6 2 1集成运放性能参数 Avd高 80 140dB Rid高 M Rod低 200 差模特性 KCMR高 80 120dB Ric高 100M 共模特性 输入直流误差特性 IIB 10 100 A VIO mV IIO 为IIB的5 10 大信号动态特性 转换速率SR 全功率带宽BWP 第6章集成运算放大器及其应用电路 集成运放电路模型 6 2 2直流和低频参数对性能的影响 Avd Rid Rod为有限值的影响 运放应用场合不同 各项性能参数影响也不同 因此工程估算时 可针对不同场合 有选择地分析运算误差 可证明 其中 Avd对精度影响最大 Avd越大 运算误差越小 第6章集成运算放大器及其应用电路 KCMR Ric为有限值的影响 可证明 其中 Avd KCMR越大 同相放大器运算精度越高 由于同相放大器输入端引入了共模信号 因此必须考虑KCMR的影响 第6章集成运算放大器及其应用电路 输入偏置电流IIB对性能的影响 则IIB在外电路反相端产生的直流电压 则IIB在外电路同相端产生的直流电压 设R R 分别为外电路在反相端和同相端等效的直流电阻 输入偏置电流 若 则 输出无失调 例 注 平衡电阻R 的接入对性能指标计算没有影响 但运算精度得到明显改善 第6章集成运算放大器及其应用电路 失调电流IIO与失调电压VIO的影响 可证明 为减小失调的影响 在R 较小时 应选择VIO小的运放 在R 较大时 应选择IIO小的运放 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 2 3高频参数对性能的影响 小信号频率参数 开环带宽BW 内补偿的集成运放可近似看成是单极点系统 该运放的上限截止频率即开环带宽BW 或称3dB带宽 单位增益带宽BWG 指增益下降到1 0dB 时对应的频率 小信号工作时 其值为常数 且BWG AvdI BW 当运放闭环工作时 BWG等于反馈电路的增益带宽积 反馈越深 Avf越小 闭环带宽BWf越宽 即BWG Avf BWf 第6章集成运算放大器及其应用电路 大信号动态参数 指集成运放输出电压随时间最大可能的变化速率 其值越大 运放高频性能越好 影响SR主要原因 运放内部存在寄生电容和相位补偿电容 转换速率 又称压摆率 指集成运放输出最大不失真峰值电压时 允许的最高工作频率 全功率带宽 当SR一定时 最大不失真输出电压与工作频率成反比 工作频率越高 不失真输出的Vom就越小 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 4集成电压比较器 电压比较器的作用 比较两输入信号大小 并以输出高 低电平来指示 电压比较器的特点 输入模拟量 输出数字量 实现模拟量与数字量间的转换 6 4 1电压比较器的作用 电压比较器工作原理 可知 只要开环Avd很大 则v v 间的微小差值 即可使运放输出工作在饱和状态 由 v v 时 vO Vomax 正饱和值 v v 时 vO Vomin 负饱和值 v v 时 逻辑状态转换 因此 第6章集成运算放大器及其应用电路 6 4 1具有不同比较特性的电压比较器 单限电压比较器 特点 运放开环工作 过零比较器 VREF 0 R1限流电阻 与D1 D2共同构成电平变换电路 第6章集成运算放大器及其应用电路 理想比较特性 vI VREF时 vO Vomax vI VREF时 vO Vomin vI VREF时 逻辑状态转换 理想特性 实际比较特性 实际特性 vI VREF Vomax Avd时 vO Vomax vI VREF Vomin Avd时 vO Vomin 注 Avd越大 比较特性越接近理想特性 VREF作为门限值的比较精度越高 第6章集成运算放大器及其应用电路 单限比较器 分析方法 1 令v v 求出的输入电压vI即门限电平 2 分别分析vI大于门限 小于门限时的输出vO电平 令 得门限电平 第6章集成运算放大器及其应用电路 单限比较器优点 电路结构简单 可不计有限KCMR的影响 单限比较器缺点 电路抗干扰能力差 例如 过零比较器 当门限电平附近出现干扰信号时 输出会出现误操作 第6章集成运算放大器及其应用电路 反相输入迟滞比较器 第6章集成运算放大器及其应用电路 原理 v v 相比较 v v 时 vO1 Vomax 正饱和值 vO VoH v v 时 vO1 Vomin 负饱和值 vO VoL v v 时 逻辑状态转换 v vI 迟滞比较器 V V VO VOH 当vI由小于VIL的值向正的增加 VO VOH V VIH当vI增加到VIL 发生由高电平向低电平变换 V V VO VOL 当vI由大于VIH的值向负的减少 VO VOL V VIL当vI减少到VIL 发生由低电平向高电平变换 令 得门限电平 求解反相输入迟滞比较器 迟滞宽度 习题6 29 a A vO vI R3 D1 D2 R R1 R2 得门限电平 同相输入迟滞比较器 迟滞宽度 将反相迟滞比较器中的vI接在同相端 即得同相输入迟滞比较器 第6章集成运算放大器及其应用电路 迟滞比较器优点 电路抗干扰能力强 例 反相输入迟滞比较器的比较特性如图示 在已知输入信号时 试画输出信号波形 第6章集成运算放大器及其应用电路 迟滞比较器 在迟滞比较器中 集成运放多工作在非线性区 输出电压只有VOH高电平和VOL低点平两种情况一般用电压传输特性 比较特性曲线 来描述输出电压VO与输入电压VI的关系传输特性的三要素 输出电压高低电平 取决于输出限幅电路门限电平 令U U 所求UI就是门限电平输出电压发生越变的方向 取决于同相输入还是反相输入 迟滞比较器应用 方波发生器 设t 0时 vO VOH 初始vC 0 则VOH经R向C充电 vC按指数规律 当vC VIH时 vO跳变为VOL 此时C经R放电 vC按指数规律 当vC VIL时 vO又上跳到VOH 可证振荡周期 第6章集成运算放大器及其应用电路 窗孔比较器 具有两个基准电源 可以判断位于两个指定门限之间的输入信号 特点 组成 A1精密整流电路 A2单限比较器 第6章集成运算放大器及其应用电路 由A2 当00 D1 D2 得下门限 由A2 当vI 0 且vI VREF1时 vO1 0 D1 D2 得上门限 此时 第6章集成运算放大器及其应用电路 迟滞宽度 第6章集成运算放大器及其应用电路