運算放大器及運算放大器的選擇應用

1、運算放大器運算放大器的選型及應用運算放大器簡介運算放大器的內(nèi)部框圖：輸入級中間級輸出級偏置電路IN-IN+Vout運算放大器主要由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路四部分組成運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)運算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化模型：運算放大器簡介l輸入級：采用差動放大電路，決定整個運放的輸入阻抗、共模抑制比、零點漂移、信噪比及頻率響應等；l中間級輸入級：采用差動放大電路，決定整個運放的：主要作用是提高運放的電壓增益l輸出級：采用射極輸出器電路，決定運放的輸出阻抗和輸出功率；l偏置電路：采用不同形式的電流源電路，為各級提供小而穩(wěn)定的偏置電流。運算放大器的分類l按用途分類：a.通用型運放；b.專用型運放，也

2、成特殊型運放。通用型運放又分為低增益、中增益和高增益三類，也可稱為通用型、通用型和通用型集成運放。運算放大器的分類專用型運放又分為低功耗型、高輸入阻抗型、高速型、高壓型、電流型、大功率型、跨導型及程控型等。根據(jù)輸入和輸出信號特點：1.電壓增益（輸出電壓/輸入電壓）2.電流增益（輸出電流/輸入電流）3.跨阻增益（輸出電壓/輸入電流）4.跨導增益（輸出電流/輸入電壓）運算放大器的分類按集成個數(shù)分：單運放、雙運放及四運放。理想運算放大器理想運算放大器的主要特點: (1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo為無限大。(2)輸入電阻Ri為無限大。(3)輸出電阻Ro為零。理想電壓反饋運算放大器模型實際運算放大器的一些參

3、數(shù)1.輸入失調(diào)電壓（VIO）：輸入失調(diào)電壓(Input off set Voltage)，簡稱VIO，其定義是為使運算放大器輸出端為0V(或接近0V)所需加于兩輸入端間之補償電壓。理想之運算放大器其VIO為0V，一般為毫伏級，此參數(shù)越小越好。2.輸入偏置電流（IIB）：偏置電流 （bias current） 就是第一級放大器輸入晶體管的基極直流電流的平均值。此參數(shù)越小越好。實際運算放大器的一些參數(shù)3.輸入失調(diào)電流（IIO）：輸入失調(diào)電流（input offset current）兩輸入端輸入偏置電流之差的絕對值。該值也是越小越好。4.差模輸入電阻（RIN）：輸入電阻（input resista

4、nce ）兩輸入端間差動輸入電阻。該值是越大越好。5.差模電壓增益（AVD）：也稱為差動電壓增益，是指輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量的比值,即電壓放大倍數(shù)。理想放大器的AV無限大，實際運放一般大于80dB。實際運算放大器的一些參數(shù)6.共模電壓增益（AVC）：兩輸入端輸入差模電壓，輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量之比。7.最大輸出電壓（VOM）：對于實際運算放大器，若振幅變大，則輸出信號接近正、負電源電壓進入飽和狀態(tài)，出現(xiàn)失真。在出現(xiàn)失真之前的最大電壓稱為最大輸出電壓。8.共模輸入電壓范圍（VICM）：這表示運算放大器兩輸入端與地之間能加的共模電壓的范圍。實際運算放大器的一些參數(shù)9.共模抑制比

5、（KCMR）：差模電壓增益AVD與共模電壓增益AVC之比稱為共模抑制比?？梢员硎緸镵CMR=20lg（AVD/AVC）dB。此值越大越好，但是會隨著信號的頻率升高而下降，一般都大于80dB。10.電源電壓抑制比（KSVR）：運放的失調(diào)電壓隨電源的變化率稱為電源電壓抑制比，若電源變化VS時失調(diào)電壓變化量為VIo，則KSVR定義為：KSVR=20lg（VS/VIo）dB。此值越大越好，較小時輸出中出現(xiàn)電源噪聲。實際運算放大器的一些參數(shù)11.消耗電流（ICC）：這是運算放大器電源端流通用的電流，隨外加電路與電源電壓的不同而變化。消耗電流越小越好，較大時放大器發(fā)熱增加引起輸出直流漂移增大。12.轉(zhuǎn)換速

6、率（SR）：若輸入信號變化塊，則輸出跟不上輸入的變化速度。SR是表示這種跟蹤性能的參數(shù)。該值越大越好，但是該值高的運算放大器其他性能較差。13.增益帶寬乘積（GB）：表示電壓增益頻率特性的參數(shù)，單位為MHZ。GB=Aff。還應當注意的一些參數(shù)最高電源電壓、功耗、工作溫度、引線溫度、輸出電阻、建立時間等。反饋反饋：指在電子管或晶體管電路中，把輸出電路中的一部分能量送回輸入電路中，以增強或減弱輸入訊號的效應。理想運放的放大倍數(shù)為無窮大，實際運放的放大倍數(shù)也很大，利用負反饋可以控制放大器的放大倍數(shù)，提高增益精度，避免放大被數(shù)過大造成失真。同時引入負反饋還可以降低噪聲、失真、輸出阻抗，增大輸入阻抗。運

7、算放大器的基本用途l放大電路l有源濾波器l微積分電路l電壓跟隨器l電壓電流轉(zhuǎn)換電路l加減運算電路l比較器電路l其他電路由運算放大器組成的一些基本電路電路類型V1V2ZGZFZ1Z2反相放大器輸入信號GND由增益決定由增益決定開路ZG/ZF同相放大器GND輸入信號由增益決定由增益決定ZG/ZF開路反相積分器輸入信號GNDRGCG開路ZG/ZF緩沖器GND輸入信號開路短路短路開路差分放大器輸入信號-輸入信號+RGRFRGRF電路中電阻的選擇阻值小的電阻可以通過較大的電流，具有良好的頻率特性以及可以驅(qū)動放大器。相應的，大阻值電阻會帶來更多的噪聲以及有可能引起PCB的漏電流。阻值過小會增大電路的功率，

8、而且電阻誤差大，負載很重。選擇時應折中選擇（1K1000K）。運算放大器組成的放大電路放大電路的種類很多，主要分為反相放大電路和同相放大電路。反相放大電路：信號由“-”端輸入，放大后的信號相位與放大前相差180度。反相放大電路運算放大器組成的放大電路使用上述電路做放大器電路時，如果放大倍數(shù)很大，則R1的值非常大。有時實裝與得到這種電阻都很困難，這時可以采用T型反饋電路，可有效降低R1的阻值。T型反饋電路運算放大器組成的放大電路同相放大電路：信號由“+”端輸入，輸出信號與輸入信號相位相同。同相放大電路同相放大電路與反相放大電路的區(qū)別同相放大器：輸入阻抗很大，但輸入共模電壓也大，共模抑制比CMRR

9、引起的誤差在高頻時不可忽略。反相放大器：輸入阻抗由輸入端的外界電阻決定，共模電壓小，可以減小共模抑制比CMRR引起的誤差。微分電路基本微分運算電路 ：將積分運算電路中的反相端輸入電阻和反饋電容互相交換位置后即為微分運算電路。 積分電路積分運算電路 ：與反相放大電路相比，用電容C代替電阻Rf作為負反饋元件就成為積分運算電路。容易得出，Uo = 1/(RC)Ui dt， 其中RC為積分時間常數(shù)。微積分電路的應用微分電路：微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波。1.提取脈沖前沿 2.高通濾波 3.改變相角（加） 積分電路：積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。1.延遲、定時

10、、時鐘 2.低通濾波 3.改變相角（減） 有源濾波器有源濾波器的原理：有源濾波器利用運算放大器和電阻代替電感，從而實現(xiàn)濾波效果。運算放大器在這里的作用是不斷給電路補充電阻消耗的能量。有源濾波器的優(yōu)點和缺點：優(yōu)點：不用電感元件、有一定增益、重量輕、體積小和調(diào)試方便，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面。缺點：但因受運算放大器的頻帶限制，這類濾波器只能工作在低頻。有源濾波電路的分類有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。它是在運算放大器的基礎上增加一些R、C等無源元件而構(gòu)成的。主要分為： 低通濾波器（LPF） 高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（BEF） 全通濾波器

11、（APF）濾波器的主要技術指標和設計方法中心頻率（Center Frequency）：濾波器通帶的中心頻率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。截止頻率（Cutoff Frequency）：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。通帶帶寬（BWxdB）：指需要通過的頻譜寬度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2為以中心頻率f0處插入損耗為基準，下降X（dB）處對應的左、右邊頻點。 插入損耗（Insertion Loss）：由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗，以中心或

12、截止頻率處損耗表征 。典型二階有源低通濾波器如右圖所示，為防止自激和抑制尖峰脈沖，在負反饋回路可增加電容 C3，C3的容量一般為22pF51pF。該濾波器每節(jié)RC電路衰減20dB10倍頻程，每級濾波器40dB10倍頻程。C C1 1C C2 2C C3 3R R1 1R R2 2R Ra aA AV VO OV Vi iR Rb b二階有源二階有源LPF的設計的設計式中 Auf 、n 、Q分別表示如下：1VbfaRAR12121nR R C C121221211()(1)VfRR CCQC RRARC222()VnfnnAAsssQ通帶增益：固有角頻率：品質(zhì)因數(shù)：傳遞函數(shù)的關系式為： 下面介紹

13、設計二階有源LPF時選用R、C的兩種方法。方法一：設Avf=1，R1=R2，則Ra= ，以及1212CQC1212nfRC C12nQCR212nCQR2124CnQC（n為階數(shù)） 2、 設計方法12nfRC13V fQAnf由上式得知 ,Q可分別由R、C值和運放增益Auf的變化來單獨調(diào)整，相互影響不大，因此該設計法對要求特性保持一定 而在較寬范圍內(nèi)變化的情況比較適用，但必須使用精度和穩(wěn)定性均較高的元件。方法二：R1=R2=R，C1=C2=C，則 nf電壓跟隨器定義：電壓跟隨器，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)接近1。特點：輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要

14、達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。 。 作用：在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。Uo / Ui = 1 Rf / R這里Rf=0，R=所以Uo=Ui。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 電壓電流轉(zhuǎn)換電路： 電壓/電流轉(zhuǎn)換即V/I轉(zhuǎn)換，是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關系的電流信號，轉(zhuǎn)換后的電流相當一個輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩(wěn)定而不會隨負載的變化而變化。 應

15、用：長距離傳送模擬電壓信號時，因信號源內(nèi)阻及電纜電阻產(chǎn)生壓降，受信端輸入阻抗越低相對壓降越大，誤差也越大。若要高精度傳送電壓信號，必須把電壓信號先變?yōu)殡娏餍盘枺催M行電流傳送.。如圖所示為實用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。由于電路引入了負反饋，A1構(gòu)成同相求和運算電路，A2構(gòu)成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R。因此 ：A1構(gòu)成同相求和運算電路，因此 ，代入上式Uo1=Up2+UI，Ro上的電壓URo=Uo1-Up2=UI ，則Io=UI/Ro電流電壓轉(zhuǎn)換電路：與電壓電流電路正好相反，它是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關系的電流信號。應用：在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標準電流信號420mA，為

16、此，常要先將其轉(zhuǎn)換成10V；的電壓信號，以便送給各類設備進行處理。如圖所示為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。在理想運放條件下，輸入電阻Ri=0，因 而iF=iS，故輸出電壓 Uo=-IsRfRs比Ri大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。 加減運算電路反相求和運算電路 ：差分比例運算電路（Rf = R時即為減法運算 ）：如果在同相和反相輸入端分別加上輸入信號（如左圖所示），則構(gòu)成差分比例運算電路。分析此電路可得，Uo = (Ui2 Ui1） x Rf / R。若使Rf = R，則Uo = Ui2 Ui1，比較器電路電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高。由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓

17、VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個電阻的關系式為：Vout=(1+RF/R1)R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，則Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1為放大器的增益。當R1=R2=0，R3=RF=時，Vout=。增益成為無窮大，其電路圖就形成下圖的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實際上，運放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負電源電壓，也不可能是無窮大?；夭畋容^器電路：若電路加上正反饋

18、則電路具有回差特性，也成為施密特觸發(fā)器。一、波形變換施密特觸發(fā)器可用以將模擬信號波形轉(zhuǎn)換成矩形波,正弦波信號同相轉(zhuǎn)換成矩形波的例子,輸出脈沖寬度可通過回差電壓加以調(diào)節(jié)。施密特觸發(fā)器的應用二、用于脈沖的整形利用施密特電路可以將失真的數(shù)字信號還原，消除電路帶來的失真。三、幅度鑒別施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)取決于輸入信號是否高于V+或低于V-，利用此特性可以構(gòu)成幅度鑒別器，用以從一串脈沖中檢出符合幅度要求的脈沖。PWM調(diào)制電路：占空比D=Vin（max）/VrefVref運算放大器的一些其他實用電路絕對值電路：絕對值電路是取輸入信號絕對值的電路，即Vo=|Vin|。線性檢波電路（求絕對平均值的電路）：峰值保

19、持電路：正峰值保持電路運算放大器的選擇1.通用運算放大器：能適用大多數(shù)場合，但是滿足不了一些特殊場合的要求。2.緩沖放大器：要求有非常高的輸入阻抗和非常低的輸出阻抗。3差模或差分放大器：差模放大電路有外部電阻和電容，所以它們的輸入阻抗不高。但是能有效地一直共模噪聲。當信號電路的輸出電阻與差模電路的輸入電阻相當時差模放大電路不再適用。運算放大器的選擇4.儀表放大器：儀表放大器具有非常高的輸入阻抗以及高的共模抑制比，不存在電阻匹配問題。增益的計算：儀表放大器AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)運算放大器的選擇儀表放大器的缺點：成本較高，引入了額外的信號延時，減小了輸入共模電壓范圍。5.電流反饋型放大器（CFA）特

20、點：有很寬的帶寬，能達到吉赫茲。（VFA最高頻率一般只能達到400MHz）缺點：輸入阻抗低，最大電壓擺低，性能不穩(wěn)定，對寄生電容敏感。運算放大器的選擇6.高頻放大器（WFGA）：高頻放大器往往是固定增益放大器，適用了固定的結(jié)構(gòu)，帶寬能達到10GHz。7.全差分放大器（FDA）：將一個離散的單端信號變換為差分信號。優(yōu)點：（相對傳統(tǒng)電路）元器件減少，降低了成本，為ADC提供了一個共模輸出電壓（公共參考地）。運算放大器的選擇運算放大器的選擇8.功率放大器（PA）：當一個運放輸出一定電壓，并提供超過幾百毫安的驅(qū)動電流的時候，就要考慮使用PA。9.音頻放大器：特殊的功率放大器。關于電流反饋運算放大器的應

21、用電流反饋運算放大器有幾點成立和不成立的規(guī)律：（1）不成立的規(guī)律a.電流反饋運算放大器不能按照傳統(tǒng)的方式來配置為單位增益緩沖器（輸出端與反相輸入端直接相連）。錯誤的接法正確的接法關于電流反饋運算放大器的應用b.在電流反饋運算放大器的輸出端與反響輸入端之間不能直接以電容相連。錯誤的接法正確的接法關于電流反饋運算放大器的應用正確的雙極點濾波器電路：關于電流反饋運算放大器的應用（2）成立的規(guī)律a.注意反相輸入端口的連線長度。由寄生電容、不同層的電路以及端口連線在輸入端口的連線在輸入端口形成的電容會降低系統(tǒng)的相位裕度。b.電流反饋運算放大器在它的反饋環(huán)路中必須有一個電阻。通常在元件的技術資料中會給出這

22、個電阻的參數(shù)。關于電流反饋運算放大器的應用c.當需要改變由電流反饋放大器構(gòu)造的電路的增益時，改變輸入端口的增益電阻的值，不要改變反饋電阻的阻值。d.一定要采用正確的PCB技術，為高速運算放大器采用一個獨立的模擬地。e.一定要采用正確的去耦技術。在電源引腳附近接一個小于0.1in的10nF或100nF的陶瓷電容。如何讓電路穩(wěn)定工作以及減小噪聲自激振蕩：如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩 ?；痉糯箅娐繁仨氂啥嗉壏糯箅娐窐?gòu)成，以實現(xiàn)很高的開環(huán)放大倍數(shù)，然而在多級放大電路的級間加負反饋，信號的相位移動可能使負反饋放大電路工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激振蕩。負反饋放大電路產(chǎn)生自己振蕩的根本原因是AF（環(huán)路放大倍數(shù)）附加相移。而這種相移主要是由寄生電容和負載電容引起的。如何讓電路穩(wěn)定工作以及減小噪聲實際電路中可以采用頻率補償（又稱相位補償）的方法，消除自激振蕩。 滯后補償法：滯后補償法有兩種，一個是電容滯后補償，另一個是RC滯后補償。如何讓電路穩(wěn)定工作以及減小噪聲l電容滯后補償若 的幅頻特性在0dB以上只有一個轉(zhuǎn)折頻率（拐點），且下降斜率為20dB/十倍頻，則屬于只有一個RC回路的頻率響應，最相移不超過90。若在它的第二個轉(zhuǎn)折頻