最全最詳細的運放原理應(yīng)用電路

1、 根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，運放應(yīng)用電路分：根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，運放應(yīng)用電路分：線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類。q 線性應(yīng)用電路線性應(yīng)用電路 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1或或Zf采用非線性器件（如三極管），則可構(gòu)成采用非線性器件（如三極管），則可構(gòu)成對數(shù)、反對數(shù)、反對數(shù)、乘法、除法對數(shù)、乘法、除法等運算電路。等運算電路。Z1或或Zf采用線性器件采用線性器件(R、C)，則可構(gòu)成加、減、積分、微，則可構(gòu)成加、減、積分、微分等運算電路。分等運算電路。組成：組成：集成運放外加深度負反饋。集成運放外加深度負反饋。 因負反饋作用，使運放小信

2、號因負反饋作用，使運放小信號工作，故運放處于線性狀態(tài)。工作，故運放處于線性狀態(tài)。 q 非線性應(yīng)用電路非線性應(yīng)用電路 -+AvovIVREF組成特點組成特點：運放運放開環(huán)工作。開環(huán)工作。 由于開環(huán)工作時運放增益很大，因此較小的輸入電壓，由于開環(huán)工作時運放增益很大，因此較小的輸入電壓，即可使運放輸出進入非線區(qū)工作。即可使運放輸出進入非線區(qū)工作。例如電壓比較器。例如電壓比較器。理理想想運運放放 dvAd iR0doRCMRKBW失調(diào)和漂移0 推論推論d iR0dovAvvv因因則則 vv因因則則0i vv說明：說明：0i相當(dāng)于運放兩輸入端相當(dāng)于運放兩輸入端“虛短路虛短路”。 虛短路不能理解為兩輸入端

3、短接，只是虛短路不能理解為兩輸入端短接，只是( (v- -v+ +) )的值小到了可以忽略不計的程度。實際上，運放的值小到了可以忽略不計的程度。實際上，運放正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的。正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的。 同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是同樣，虛斷路不能理解為輸入端開路，只是輸入電流小到了可以忽略不計的程度。輸入電流小到了可以忽略不計的程度。相當(dāng)于運放兩輸入端相當(dāng)于運放兩輸入端“虛斷路虛斷路”。 實際運放低頻工作時特性接近理想化，因此可實際運放低頻工作時特性接近理想化，因此可利用利用“虛虛短、虛斷短、虛斷”運算法則分析運放應(yīng)用電路運算法則分析運放應(yīng)用電

4、路。此時，電路輸出。此時，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運放內(nèi)部電路。只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，而不涉及運放內(nèi)部電路。q 集成運放基本應(yīng)用電路集成運放基本應(yīng)用電路 反相放大器反相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1類型：電壓并聯(lián)負反饋類型：電壓并聯(lián)負反饋 vv因因則則0v反相輸入端反相輸入端“虛地虛地”。0i因因則則f1ii 1s1s1RvRvvifoffRvRvvio由圖由圖輸出電壓表達式：輸出電壓表達式：svRRv1fo輸入電阻輸入電阻1iRR 輸出電阻輸出電阻0oR因因0v因深度電壓負反饋因深度電壓負反饋 ， 同相放大器同相放大器 -+AR1Rf+-vsvoifi1類型

5、：電壓串聯(lián)負反饋類型：電壓串聯(lián)負反饋 vv因因則則svv 注：同相放大器不存在注：同相放大器不存在“虛地虛地”。0i因因1s110RvRvifosffRvvRvvio由圖由圖輸出電壓表達式：輸出電壓表達式：vRRvRRvs)1 ()1 (1f1fo輸入電阻輸入電阻iR輸出電阻輸出電阻0oR因深度電壓負反饋因深度電壓負反饋 ，0i因因則則f1ii 同相跟隨器同相跟隨器 -+A+-vsvo由圖得由圖得sovvv vv因因由于由于1fvAiR0oR所以，同相跟隨器性能所以，同相跟隨器性能優(yōu)于優(yōu)于射隨器。射隨器。q 歸納與推廣歸納與推廣 當(dāng)當(dāng)R1 、Rf為線性電抗元件時，在復(fù)頻域內(nèi)：為線性電抗元件時，

6、在復(fù)頻域內(nèi)：)()()()(s1fosvsZsZsv反相放大器反相放大器)()()(1 )(s1fosvsZsZsv同相放大器同相放大器拉氏反變換拉氏反變換 ) t (ov得得注：注：拉氏反變換時拉氏反變換時 t dds t1ds 反相加法器反相加法器 -+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1 vv因因則則0v0i因因則則f21iiifo2s21s1RvRvRv即即整理得整理得22f11fossvRRvRRv說明：說明：線性電路除可以采用線性電路除可以采用“虛短、虛斷虛短、虛斷”概念外，還可概念外，還可采采 用疊加原理進行分析。用疊加原理進行分析。 令令vs2=0則則11fo1s

7、vRRv令令vs1=0則則22fo2svRRv2o1oovvv例如例如 同相加法器同相加法器 -+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：利用疊加原理：212s1211s2RRvRRRvRv則則vRRv)1 (3fo)(1 (212s1211s23fRRvRRRvRRR 減法器減法器 Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令令vs2=0，則則11fo1svRRv令令vs1=0，32231fo2)1 (RRvRRRvs2o1oovvv11fsvRR32231f)1 (RRvRRRst)(osdvdCRv 有源積分器有源積分器 -+ARC+-vsvo方法一：利用運算法則方法一：利用

8、運算法則則則tosdtvRCv1o方法二：利用方法二：利用拉氏變換拉氏變換)()(Z)()(s1fosvssZsv)(1ssvsRC)()/(1ssvRsC拉氏反變換得拉氏反變換得tosdtvRCv1o 有源微分器有源微分器 利用利用拉氏變換：拉氏變換：)()(Z)()(s1fosvssZsv)(sssRCv)()/(1ssvsCR拉氏反變換得拉氏反變換得dtdvRCvso-+ARC+-vsvo 波形變換波形變換 tvs0輸入方波輸入方波積分輸出三角波積分輸出三角波vot0微分輸出尖脈沖微分輸出尖脈沖tvo0 對數(shù)變換器對數(shù)變換器 -+AR+-vsvoTBEeSsVvIRv利用運算法得：利用運

9、算法得：由于由于oBEvv整理得整理得RIvVvSsToln缺點：缺點：vo受溫度影響大、動態(tài)范圍小受溫度影響大、動態(tài)范圍小。vs必須大于必須大于0。 改進型對數(shù)變換器改進型對數(shù)變換器 -+A1+-vsvo+-A2VCC+-RLR3R4tovB2R2R5T1T2R1iC2iC1由圖由圖1CC2T1CC2TBE1BE2B2lg3 . 2lniiViiVvvv由于由于1sC1/ Rvi2CC22BCCC2/ )(RVRvVi（很?。ê苄。﹦t則)lg(3 . 2lg3 . 2sCC12T2CC1TB2vVRRViiVv)lg()1 ( 3 . 2)1 (sT432B43oKvVRRvRRv（T1、

10、T2特性相同）特性相同）利用利用R4補補償償VT ，改善，改善溫度特性。溫度特性。vS大范圍大范圍變化時，變化時， vO 變化很小。變化很小。 反對數(shù)變換器反對數(shù)變換器 RvIVvoSTBEe利用運算法則得利用運算法則得由于由于sBEvv整理得整理得TsSoVveRIv缺點：缺點：vo受溫度影響大受溫度影響大。vs必須小于必須小于0。-+AR+-vsvoTvo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ因因T1、T2、T3、T4 構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)，構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)，則則OZYXiiii分析方法一：分析方法

11、一：由圖由圖整理得整理得XXX/ RviYYY/ RviZZZ/ Rvi 4OO/ RviZYXYXZ4OvvvRRRRv（實現(xiàn)乘、除運算）（實現(xiàn)乘、除運算）vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：分析方法二：XSXTBE1o1lnRIvVvvZYXYXZ4vvvRRRRBE1YSYTBE1BE2o2lnvRIvVvvvZSZTBE3o3lnRIvVvvA1、A2、A3對數(shù)放大器對數(shù)放大器A4反對數(shù)放大器反對數(shù)放大器To3o2e4SOVvvRIvq 精密半波整流電路精密半波整流電路

12、 利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦裕瑯?gòu)成利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦裕瑯?gòu)成對微小幅值電壓進行整流的電路。對微小幅值電壓進行整流的電路。vo-+AvIR1vo R2RL+- -D1D2 vI =0時時 vO =0 D1 、D2 vO=0 vI 0時時 vO 0 D1 、D2 vO=0 vI 0 D1 、D2 vO= -(-(R2 / R1) )vI工作原理：工作原理：vOvI- -R2 / R1傳輸特性傳輸特性vItvOtvIR2R1- -輸入正弦波輸入正弦波輸出半波輸出半波q 精密轉(zhuǎn)折點電路精密轉(zhuǎn)折點電路 當(dāng)當(dāng)v- - 0，即，即 vI -(-(R3 / R1) )VR

13、 時：時： 當(dāng)當(dāng)v- - 0，即，即 vI 0 D1 、D2 傳輸特性傳輸特性vOvI- -R2 / R3VRR3R1- -vO 0 D1 、D2 vO=0 則則)(R13I32OVRRvRRv則則q 精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù)精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù) R/R1vo1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvo2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3Rvo3-+A4vOR)(R11r1I1O1VRRvRRv)(R22r2I2O2VRRvRRv)(R33r3I3O3VRRvRRv)(O3O2O1O3vvvvR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3傳輸特

14、性傳輸特性儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器。 特點：特點：KCMR很高、很高、 Ri 很大，很大， Av 在很大范圍內(nèi)可調(diào)。在很大范圍內(nèi)可調(diào)。q 三運放儀器放大器三運放儀器放大器 vv由由G2I1IGRvvi得得0i由由)(G21G2o1oRRRivv得得由由減法器減法器A3得：得：2o656341o34o)1 (vRRRRRvRRv若若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6 整理得整理得)21 (G342I1IofRRRRvvvAvvI1+ -A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo

15、2q 有源反饋儀器放大器有源反饋儀器放大器 可證明可證明GS4432I1IofRRRRRvvvAvvI1+ -A3R1-+A1RGvOIO+ -A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2差放差放T3、T4差放差放A3跟隨器跟隨器A2跟隨器跟隨器A1放大器放大器 采用嚴(yán)格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、采用嚴(yán)格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構(gòu)成低噪聲、高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。高精度、增益可調(diào)的儀器放大器。q 儀器放大器的應(yīng)用儀器放大器的應(yīng)用 儀器放大器單片集成產(chǎn)品：儀器放大器單片集成產(chǎn)品：LH0036、LH0038、AMP-03、AD36

16、5、AD524等。等。例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器例：儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器溫度為規(guī)定值時溫度為規(guī)定值時 RT =R 路橋平衡路橋平衡 vo =0 。溫度變化時溫度變化時 RT R 路橋不平衡路橋不平衡 vo 產(chǎn)生變化。產(chǎn)生變化。儀器儀器放大器放大器RGRTRRRt oVREFvo電流傳輸器：通用集成器件，廣泛用于模擬信號處理電路中。電流傳輸器：通用集成器件，廣泛用于模擬信號處理電路中。 q 電流傳輸器電路符號及特點電流傳輸器電路符號及特點YXZCCvXvYvZiY=0iXiZY輸入端：輸入端： iY= 0，即，即 RY ；X輸入端：輸入端： vX = vY ，且，且vX與與 iX 大小

17、無關(guān)，大小無關(guān)，RX0 ；Z輸出端：輸出端： iZ = iX ，且，且 iZ 與與 vZ大小無關(guān)；大小無關(guān)；q 電流傳輸器構(gòu)成的模擬信號處理電路電流傳輸器構(gòu)成的模擬信號處理電路 YXZCCviRLiXiOR+- - 互導(dǎo)放大器互導(dǎo)放大器 互阻放大器互阻放大器 電流放大器電流放大器 iYXvvvRvii/XXoRviA/1/iogYXZCCisRLiXiOR2R11SYXRivv2XXo/ Rvii21Soi/RRiiAYXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+- -i1ZiiRivv1Z2YoRivAior/ 負阻變換器負阻變換器 YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1

18、RL21X1XiRivv12Y2ZiRviiL1XL1Z2YRiRivL21iiiRRRivRAvd高高(80140dB)， Rid高高(M )， Rod低低 (100M ) 共模特性共模特性 輸入直流誤差特性輸入直流誤差特性IIB(10100 A)， VIO (mV)， IIO(為為IIB的的5% 10%) 大信號動態(tài)特性大信號動態(tài)特性 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率SR， 全功率帶寬全功率帶寬BWPq Avd、Rid、Rod為有限值的影響為有限值的影響 運放應(yīng)用場合不同，各項性能參數(shù)影響也不同。因此工運放應(yīng)用場合不同，各項性能參數(shù)影響也不同。因此工程估算時，可針對不同場合，有選擇地分析運算誤差。程估算時

19、，可針對不同場合，有選擇地分析運算誤差。)1 (dL1fodffvvvARRRRAA-+AR1Rf+-vsvoRLvidRidvO+- -v- -Avd vid- - +Rod+- -R1Rfvs+-RL可證明可證明其中其中idf11/RRRR odfLL/RRRR 1ff/ RRAvAvd對精度影響最大。對精度影響最大。A Av vd d越大，運算誤差越小。越大，運算誤差越小。q KCMR、Ric為有限值的影響為有限值的影響-+AR1Rf+-vsvoRL可證明可證明其中其中Avd、KCMR越大，同相放大器運算精度越高。越大，同相放大器運算精度越高。 由于同相放大器輸入端引入了共模信號，因此必

20、須由于同相放大器輸入端引入了共模信號，因此必須考慮考慮KCMR的影響。的影響。 RicvO+- -v- -Avd vidRod+- -R1RfvsRLv+ +RicRid+- -Avd vicKCMR)11 (/1CMRdfffKAAAAvvvv1ff/1RRAvq 輸入偏置電流輸入偏置電流IIB對性能的影響對性能的影響 -+AR1Rf+-vsvoR+= R1/ Rf則則IIB在外電路反相端產(chǎn)生的直流電壓在外電路反相端產(chǎn)生的直流電壓: : 則則IIB在外電路同相端產(chǎn)生的直流電壓在外電路同相端產(chǎn)生的直流電壓: : RIVIBRIVIB設(shè)設(shè)R- -、R+ 分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻

21、。分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻。 2/ )(B2B1IBIII輸入偏置電流輸入偏置電流 RR若若則則0idv輸出無失調(diào)輸出無失調(diào) 例：例：注：注：平衡電阻平衡電阻R+的接入對性的接入對性能指標(biāo)計算沒有影響，但運能指標(biāo)計算沒有影響，但運算精度得到明顯改善。算精度得到明顯改善。 因此，為減小因此，為減小IIB對運算精度的影響，要求外接在集成運放對運算精度的影響，要求外接在集成運放兩輸入端的直流電阻相等。兩輸入端的直流電阻相等。q 失調(diào)電流失調(diào)電流IIO與失調(diào)電壓與失調(diào)電壓VIO的影響的影響 vO+- -R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+ - -VIOR+)(1 (IOIO1f

22、oRIVRRv可證明可證明為減小失調(diào)的影響：為減小失調(diào)的影響：在在R+較小時，應(yīng)選擇較小時，應(yīng)選擇VIO小的運放；小的運放；在在R+較大時，應(yīng)選擇較大時，應(yīng)選擇 IIO小的運放。小的運放。q 小信號頻率參數(shù)小信號頻率參數(shù) 開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬BW 內(nèi)補償?shù)募蛇\放可近似看成是單極點系統(tǒng)，該運放的內(nèi)補償?shù)募蛇\放可近似看成是單極點系統(tǒng)，該運放的上限截止頻率即開環(huán)帶寬上限截止頻率即開環(huán)帶寬BW（或稱（或稱3dB帶寬）。帶寬）。 單位增益帶寬單位增益帶寬BWG 指增益下降到指增益下降到1（0dB）時對應(yīng)的頻率。小信號工作時，）時對應(yīng)的頻率。小信號工作時，其值為常數(shù)，其值為常數(shù)，且且BWG = AvdIB

23、W 。當(dāng)運放閉環(huán)工作時，當(dāng)運放閉環(huán)工作時，BWG等于反饋電路的增益帶寬積。等于反饋電路的增益帶寬積。反饋越深，反饋越深，Avf 越小，閉環(huán)帶寬越小，閉環(huán)帶寬BWf 越寬。越寬。即即 BWG = AvfBWfq 大信號動態(tài)參數(shù)大信號動態(tài)參數(shù) 指集成運放輸出電壓隨時間最大可能的變化速率。指集成運放輸出電壓隨時間最大可能的變化速率。其值其值越大，運放高頻性能越好。越大，運放高頻性能越好。影響影響SR主要原因：運放內(nèi)部存在寄生電容和相位補償電容。主要原因：運放內(nèi)部存在寄生電容和相位補償電容。 轉(zhuǎn)換速率（又稱壓擺率）轉(zhuǎn)換速率（又稱壓擺率）maxoR)(dttdvS 指集成運放輸出最大不失真峰值電壓時，允

24、許的最高工指集成運放輸出最大不失真峰值電壓時，允許的最高工作頻率。作頻率。 全功率帶寬全功率帶寬ommaxRP2VSBW 當(dāng)當(dāng)SR一定時，最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比。一定時，最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比。工作頻率越高，不失真輸出的工作頻率越高，不失真輸出的Vom就越小。就越小。 電壓比較器的作用電壓比較器的作用比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。比較兩輸入信號大小，并以輸出高、低電平來指示。 電壓比較器的特點電壓比較器的特點輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。輸入模擬量，輸出數(shù)字量。實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換。 電壓比較器工作原理電壓比較器工作原理 只要

25、開環(huán)只要開環(huán)Avd很大，則很大，則v+、v- -間的微小差值，即可使運放輸間的微小差值，即可使運放輸出工作在飽和狀態(tài)。出工作在飽和狀態(tài)。 由由)(dovvAvv可知可知v+ v- - 時，時， vo=Vomax（正飽和值）（正飽和值） v+ v- - 時，時， vo=Vomin （負飽和值）（負飽和值） v+ = v- - 時，時，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 因此因此 理想比較特性理想比較特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI VREF 時，時， vo=VominvI = VREF 時，時，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 理想特性理想特性vIvoVREFVomaxVomi

26、n0 實際比較特性實際比較特性實際特性實際特性vI VREF - -Vomin / /Avd 時，時， vo=Vomin注：注：Avd 越大，比較特性越接近理想特性，越大，比較特性越接近理想特性， VREF作為作為 門限值的比較精度越高。門限值的比較精度越高。q 單限電壓比較器單限電壓比較器 特點：運放開環(huán)工作。特點：運放開環(huán)工作。 過零比較器過零比較器 -+AvovI+- -R1D1D2RR（VREF =0） R1限流電阻，與限流電阻，與D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。共同構(gòu)成電平變換電路。VOH = VZ + VD(on) VOL= - -( VZ + VD(on) ) vIvoVOHVO

27、L0比較特性比較特性tvO0tvI0 單限比較器單限比較器 -+AvovI+- -R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：分析方法：1）令）令v- -= v+ +求出的輸入電壓求出的輸入電壓vI I 即門限電平。即門限電平。2）分別分析）分別分析vI I大于門限、小于門限時的輸出大于門限、小于門限時的輸出vO O電平。電平。0REF212I211VRRRvRRR令令得門限電平得門限電平REF12IVRRv即即v+ + v- -若若REF12IVRRv則則vO O = VOH比較特性比較特性vIvoVOHVOLVREFR2R1- - 單限比較器優(yōu)點：單限比較器優(yōu)點： 電路結(jié)構(gòu)簡單

28、電路結(jié)構(gòu)簡單，可不計有限，可不計有限KCMR的影響。的影響。 單限比較器缺點：單限比較器缺點： 電路抗干擾能力電路抗干擾能力差。差。 例如：過零比較器，例如：過零比較器，當(dāng)門限電平附近出現(xiàn)干擾信當(dāng)門限電平附近出現(xiàn)干擾信號時，輸出會出現(xiàn)誤操作。號時，輸出會出現(xiàn)誤操作。 tvO0vIt0q 遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）遲滯比較器（施密特觸發(fā)器） -+AvovI+- -R3D1D2RVREFR1R2特點特點正反饋電路。正反饋電路。具有雙門限。具有雙門限。REF211O212IVRRRvRRRv令令得門限電平：得門限電平：REF211OH212IHVRRRVRRRvREF211OL212ILVRRRVRRRv 反相輸入遲滯比較器反相輸入遲滯比較器 )(OLOH212ILIHVVRRRVVV遲滯寬度：遲滯寬度： vIvoVOH0比較特性比較特性VOLVILVIH-+AvovI+- -R3D1D2RVREFR1R2I211O212REFvRRRvRRRV令令得門限電平：得門限電平： 同相輸入遲滯比較器同相輸入遲滯比較器 遲滯寬度：遲滯寬度： vIvoVOH0比較特性比較特性VOLVILVIH 將反相遲滯比較器中的將反相遲滯比較器中的vI與與VREF交換，即得同相輸入交換，即得同相輸