最全最詳細運放原理應用電路

1、 根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，運放應用電路分：根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài)，運放應用電路分：線性應用電路和非線性應用電路兩大類。線性應用電路和非線性應用電路兩大類。q 線性應用電路線性應用電路 -+AZ1Zfvovs1vs2iZ1或或Zf采用非線性器件（如三極管），則可構成采用非線性器件（如三極管），則可構成對數(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)，則可構成加、減、積分、微，則可構成加、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 非線性應用電路非線性應用電路 -+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相當于運放兩輸入端相當于運放兩輸入端“虛短路虛短路”。 虛短路不能理解為兩輸入

3、端短接，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。相當于運放兩輸入端相當于運放兩輸入端“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用電路運算法則分析運放應用

4、電路。此時，電路輸出。此時，電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡參數(shù)有關，而不涉及運放內(nèi)部電路。只與外部反饋網(wǎng)絡參數(shù)有關，而不涉及運放內(nèi)部電路。q 集成運放基本應用電路集成運放基本應用電路 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

5、型：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 當當R1 、Rf為線性電抗元件時，在復頻域內(nèi)：為線性電抗元件時

6、，在復頻域內(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11fo1

7、svRRv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

8、用運算法則則則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

9、運算法得：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（T

10、1、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 構成跨導線性環(huán)，構成跨導線性環(huán)，則則OZYXiiii分析方法一：分

11、析方法一：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

12、流電路 利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?，構成利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦裕瑯嫵蓪ξ⑿》惦妷哼M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 當當v- - 0，即，即 vI -(-(R3 / R1)

13、)VR 時：時： 當當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

14、傳輸特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-+A3R2R3R4R5R6i

15、Gvo2q 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 采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構成低噪聲、采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻，可構成低噪聲、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 儀器放大器的應用儀器放大器的應用 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、A

16、D365、AD524等。等。例：儀器放大器構成的橋路放大器例：儀器放大器構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

17、 大小無關，大小無關，RX0 ；Z輸出端：輸出端： iZ = iX ，且，且 iZ 與與 vZ大小無關；大小無關；q 電流傳輸器構成的模擬信號處理電路電流傳輸器構成的模擬信號處理電路 YXZCCviRLiXiOR+- - 互導放大器互導放大器 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 YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1

18、iZ1RL21X1XiRivv12Y2ZiRviiL1XL1Z2YRiRivL21iiiRRRivRAvd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 運放應用場合不同，各項性能參數(shù)影響也不同。因此工運放應用場合不同，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

19、估算時，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，

20、因此必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設設R- -、R+ 分別為外電路在反相端和同相端等效的直

21、流電阻。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計算沒有影響，但運能指標計算沒有影響，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 (IOI

22、O1foRIVRRv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，應選擇較小時，應選擇VIO小的運放；小的運放；在在R+較大時，應選擇較大時，應選擇 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）時對應的頻率。小信號工作時，）時對應的頻率。小信號工作時，其值為常數(shù)，其值為常數(shù)，且且BWG = Av

23、dIBW 。當運放閉環(huán)工作時，當運放閉環(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

24、時，允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 當當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

25、 只要開環(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vIvoVREFVomaxV

26、omin0 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共同構成電平變換電路。共同構成電平變換電路。VOH = VZ + VD(on) VOL= - -( VZ + VD(on) ) vIvoVO

27、HVOL0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

28、構簡單電路結構簡單，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，當門限電平附近出現(xiàn)干擾信當門限電平附近出現(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