运算放大电路的理解点滴

集成运算放大器理论及其应用201410公司名称2/24/2020›运放的基本理论›运放的参数›理想运放及其分析方法›运放的应用电路›运算放大器的选择›运放的稳定工作公司名称2/24/2020半导体公司的运算放大器产品目录运算放大器–高速放大器（大于等于50MHz）(164)–精密放大器(510)•低功耗(117)•低输入偏置电流/FET输入(31)低噪声(45)•宽带(135)低偏移电压(99)•高电压(4)(40V)•高输出电流(44)(100mA)–标准线性放大器(206)比较器(82)仪表放大器(31)–单电源(17)–双电源(12)差动放大器(25)可编程增益放大器(11)›隔离放大器(3)›特殊功能放大器–跨导放大器(3)–对数放大器(7)–多路复用器(4)–乘法器(1)–PWM功率驱动器(16)›可变增益放大器(21)种类繁多区别何在?如何选择?理解重要的技术参数是关键.公司名称2/24/2020集成运放选用一般原则信号处理电路是数字化测量技术的重要环节。模拟信号的放大常选用集成运放。集成运放主要可分为通用型、低失调型、高输入阻抗型、高速型、仪表运放、差分放大器、可程控增益型和隔离型等。首先要根据所放大信号的主要特点和系统环境选用合适的运放。在满足所需电气特性的前提下，选用性能价格比高、通用性强、市场货源充足的运放。公司名称2/24/2020集成运放选用一般原则通用型运放直流性能较好，种类多，价格低。使用运放数量较多时，可选择双运放或四运放，其特点是内部对称性好，可简化线路，缩小体积和降低成本。若信号源内阻很大，则可选用高输入电阻的运放。另外，像采样/保持、峰值检波、对数放大或反对数放大器、积分器和生物电信号的放大及提取、测量放大电路等均需选择高输入阻抗的集成运放。若放大线路要求低噪声、低漂移和高精度，则应选择低失调、低漂移的低噪声运放。视频信号的放大、处理等场合应选择高速宽带运放。总之，选择运放时，要视系统对放大电路的要求，作分析和耐心挑选，避免盲目选用高档的运放。公司名称2/24/2020对通用集成运算放大器的再认识LM124/224/324集成运放a）引脚功能b）基准电压源应用c）斯密特触发电器通用型运放的品种、规格、型号很多，各公司生产的型号有别，常用的有：μA741、LM324、LM358、OP07、OP117、TL082/084等。公司名称2/24/2020单运放LM324的原理图图3公司名称2/24/2020通用运放电路的结构特点差分输入放大电路–理想的差分电路应该完全平衡,元件参数严格匹配–实际很难完全平衡,出现失调电压和失调电流.推挽输出电路(push-pull)–降低输出电阻–增强带负载能力输出电压一般摆幅取决于上拉管和下拉管的饱和压降Vces（RailtoRail除外）–最高输出正电压=V+-Vces–最低输出负电压=V-+VcesCc补偿电容防止闭环应用出现自激振荡。高速运放需要使用更小的电容，但闭环放大倍数不宜太小，否则太强的反馈容易引起自激振荡。公司名称集成运放的输入失调现象1.输入失调现象对集成运放的放大精度（零位及线性度）有重要影响，相关的参数有输入失调电压（inputoffsetvoltage）、输入失调电流（inputoffsetcurrent）和共模抑制比CMRR（commonmoderestrictionratio）。2.输入失调现象与集成运放输入级差分放大电路是否完全对称或平衡密切相关。如果构成差分放大电路的两个单端放大电路应该完全对称，这样可以保证对相同的输入（共模分量）有一致的放大，而差分输出值只反映两个输出端的电位差（即差模信号），而两个输入端共有的共模分量则被相互抵消。3.实际的差分放大电路与理想的差分放大电路还是有差异。举例来说，图3中的LM324内部输入级Q1与Q4的电流放大系数1≠2，当输入差模信号为0，反向输入端和同相输入端都只包含相同的对地分量（即共模分量）时，组成差分放大电路的两个单端信号放大电路必然输出也不对称，也就是说差动输出不为零，这种现象就是运放的输入失调。当然还有其它要求对称的参数的失配同样会影响差分放大电路抑制共模信号的能力，如从运放两个输入端看出去的信号源内阻抗（包括信号导线的阻抗）不平衡就常常导致某些放大电路虽然采用了共模抑制性能优异的集成运放，但放大电路的共模抑制性能远远达不到集成运放的共模抑制性能。2/24/2020公司名称2/24/2020实际运放的参数---直流参数、交流参数直流指标：输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。交流指标：开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。1.输入失调电压（VIO）：输入失调电压，简称VIO，其定义是为使运算放大器输出端为0V(或接近0V)所需加于两输入端间之补偿电压。理想之运算放大器其VIO为0V，一般为毫伏级，此参数越小越好。反应了运放制造中电路的对称情况。2.输入偏置电流（IIB）：偏置电流（biascurrent）就是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流的平均值。此参数越小越好。3.输入失调电流（IIO）：输入失调电流（inputoffsetcurrent）两输入端输入偏置电流之差的绝对值。该值也是越小越好。4.差模输入电阻（RIN）：输入电阻（inputresistance）两输入端间差动输入电阻。该值是越大越好。5.差模电压增益（AVD）：也称为差动电压增益，是指输出电压的变化量与输入电压变化量的比值,即电压放大倍数。公司名称实际运放的参数3.AVD通常以dB表示AVD=20lg△Uo/△UI(dB)理想放大器的AV无限大，实际情况AVD为100~140dB。6.共模电压增益（AVC）：两输入端输入差模电压，输出电压的变化量与输入电压变化量之比。7.最大输出电压（VOM）：对于实际运算放大器，若振幅变大，则输出信号接近正、负电源电压进入饱和状态，出现失真。在出现失真之前的最大电压称为最大输出电压。8.共模输入电压范围（VICM）：这表示运算放大器两输入端与地之间能加的共模电压的范围。9.共模抑制比（KCMR）：差模电压增益AVD与共模电压增益AVC之比称为共模抑制比。可以表示为KCMR=20lg（AVD/AVC）dB。此值越大越好，但是会随着信号的频率升高而下降，一般都大于80dB。10.电源电压抑制比（KSVR）：运放的失调电压随电源的变化率称为电源电压抑制比。即输出信号受电源电压的影响程度。若电源变化△VS时失调电压变化量为△VIo，则KSVR定义为：KSVR=20lg（△VS/△VIo）dB。此值越大越好，较小时输出中出现电源噪声。11.消耗电流（Icc）：这是运算放大器电源端流通用的电流，随外加电路与电源电压的不同而变化。消耗电流越小越好，较大时放大器发热增加引起输出直流漂移增大。2/24/2020公司名称实际运放的参数11.转换速率（SR）：若输入信号变化快，则输出跟不上输入的变化速度。SR是表示这种跟踪性能的参数。该值越大越好，但是该值高的运算放大器其他性能较差。12.增益带宽乘积（GB）：表示电压增益—频率特性的参数，单位为MHZ。（单位增益带宽）。开环带宽BW:在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率从直流增益下降3dB所对应的信号频率定义为BW.单位增益带宽BWG:运放的低频闭环增益为1及正弦小信号激励下，闭环增益随频率从1下降到0.707所对应的频率定义为BWG.13.全功率带宽BWP:在运放闭环电压增益为1，输入正弦大信号，指定负载和指定失真度等条件下，使运发输出电压幅度达到最大值时的信号频率，定义为BWP，BWP简称功率带宽。BWP受SR的限制，它们之间的关系可近似表示为：式中：Vom是运放输出电压幅度最大值2/24/2020omRPVSBW2公司名称实际运放的参数14:建立时间tset:在运放闭环电压增益为1，规定负载并阶跃大信号条件下，运放输出电压达某一特定值范围所需的时间定义为tset.15.等效输入噪声电压en和电流in:屏蔽良好，无信号输入运放输出端出现的任何交流波形无规则的干扰电压称为运放的输出噪声电压，将它们换算到输入端时简称为等效输入噪声电压en或等效输入噪声电流in.还应当注意的一些参数:最高电源电压、功耗、工作温度、引线温度、输出电阻等。2/24/2020公司名称2/24/2020理想运算放大器---理论分析理想运算放大器的主要特点:(1)高增益：AV=∞开环电压放大倍数A为无限大。（线性区虚短）(2)失调小：Ri=∞输入电阻Ri为无限大。（虚断）(3)恒压输出：输出电阻Ro为零。(4)频带宽BW=∞(5)零输入零输出VP=VN时VO=0(6)没有温度漂移KCMR=∞输入级的选择(1)直接耦合(2)零点漂移问题(3)差动输入级的优点:抑制零点漂移;输入失调小;输入阻抗高。公司名称2/24/2020理想运放的分析方法线性区---工作在闭环负反馈状态虚短虚断饱和区----工作在开环、正反馈状态虚断比较输出：反馈：把输出信号的一部分或全部以一定的方式送回输入电路中，以增强或减弱输入信号的效应。理想运放的放大倍数为无穷大，实际运放的放大倍数也很大，利用负反馈可以控制放大器的放大倍数，提高增益精度，避免放大倍数过大造成失真。同时引入负反馈还可以降低噪声、失真、输出阻抗，增大输入阻抗。OOmaxuUuuuuOOminuU公司名称虚短和虚断的概念›由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。›由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。2/24/2020公司名称2/24/2020运算放大器的典型应用电路同相放大器：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。输入阻抗很大，但输入共模电压也大，共模抑制比CMRR引起的误差在高频时不可忽略。反相放大器：反相放大电路：信号由“-”端输入，放大后的信号相位与放大前相差180度。输入阻抗由输入端的外界电阻决定，共模电压小，可以减小共模抑制比CMRR引起的误差。实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要，调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。V+与V-虚短，则V+=V-,因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得：I=Vo/(Rf+R1),Ui等于R1上的分压，即：Ui=I*R1,由此推导：Uo=（1+Rf/R1)Ui公司名称2/24/2020运算放大器的典型应用电路差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。积分运算电路：与反相放大电路相比，用电容C代替电阻Rf作为负反馈元件就成为积分运算电路。容易得出，Uo=－1/(RC)×∫Uidt，其中RC为积分时间常数微分电路：微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波。1提取脉冲前沿（反应突变）2.高通滤波3.改变相角（加）积分电路：积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。