运算放大器及运算放大器的选择应用

运算放大器运算放大器的选型及应用运算放大器简介运算放大器的内部框图：输入级中间级输出级偏置电路IN-IN+Vout运算放大器主要由输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成运算放大器的内部结构运算放大器的内部结构简化模型：运算放大器简介输入级：采用差动放大电路，决定整个运放的输入阻抗、共模抑制比、零点漂移、信噪比及频率响应等；中间级输入级：采用差动放大电路，决定整个运放的：主要作用是提高运放的电压增益输出级：采用射极输出器电路，决定运放的输出阻抗和输出功率；偏置电路：采用不同形式的电流源电路，为各级提供小而稳定的偏置电流。运算放大器的分类按用途分类：a.通用型运放；b.专用型运放，也成特殊型运放。通用型运放又分为低增益、中增益和高增益三类，也可称为通用Ⅰ型、通用Ⅱ型和通用Ⅲ型集成运放。运算放大器的分类专用型运放又分为低功耗型、高输入阻抗型、高速型、高压型、电流型、大功率型、跨导型及程控型等。根据输入和输出信号特点：1.电压增益（输出电压/输入电压）2.电流增益（输出电流/输入电流）3.跨阻增益（输出电压/输入电流）4.跨导增益（输出电流/输入电压）运算放大器的分类按集成个数分：单运放、双运放及四运放。理想运算放大器理想运算放大器的主要特点:(1)开环电压放大倍数Auo为无限大。(2)输入电阻Ri为无限大。(3)输出电阻Ro为零。理想电压反馈运算放大器模型实际运算放大器的一些参数1.输入失调电压（VIO）：输入失调电压(InputoffsetVoltage)，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。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。实际运算放大器的一些参数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。理想放大器的AV无限大，实际运放一般大于80dB。实际运算放大器的一些参数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。实际运算放大器的一些参数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，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。实际运算放大器的一些参数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。12.转换速率（SR）：若输入信号变化块，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。13.增益带宽乘积（GB）：表示电压增益—频率特性的参数，单位为MHZ。GB=Aff。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、建立时间等。反馈反馈：指在电子管或晶体管电路中，把输出电路中的一部分能量送回输入电路中，以增强或减弱输入讯号的效应。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，避免放大被数过大造成失真。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。运算放大器的基本用途放大电路有源滤波器微积分电路电压跟随器电压—电流转换电路加减运算电路比较器电路其他电路由运算放大器组成的一些基本电路电路类型V1V2ZGZFZ1Z2反相放大器输入信号GND由增益决定由增益决定开路ZG//ZF同相放大器GND输入信号由增益决定由增益决定ZG//ZF开路反相积分器输入信号GNDRGCG开路ZG//ZF缓冲器GND输入信号开路短路短路开路差分放大器输入信号-输入信号+RGRFRGRF电路中电阻的选择阻值小的电阻可以通过较大的电流，具有良好的频率特性以及可以驱动放大器。相应的，大阻值电阻会带来更多的噪声以及有可能引起PCB的漏电流。阻值过小会增大电路的功率，而且电阻误差大，负载很重。选择时应折中选择（1K~1000K）。运算放大器组成的放大电路放大电路的种类很多，主要分为反相放大电路和同相放大电路。①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。反相放大电路运算放大器组成的放大电路使用上述电路做放大器电路时，如果放大倍数很大，则R1的值非常大。有时实装与得到这种电阻都很困难，这时可以采用T型反馈电路，可有效降低R1的阻值。T型反馈电路运算放大器组成的放大电路②同相放大电路：信号由“+”端输入，输出信号与输入信号相位相同。同相放大电路同相放大电路与反相放大电路的区别同相放大器：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：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。微分电路基本微分运算电路：将积分运算电路中的反相端输入电阻和反馈电容互相交换位置后即为微分运算电路。积分电路积分运算电路：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。微积分电路的应用微分电路：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。1.延迟、定时、时钟2.低通滤波3.改变相角（减）有源滤波器有源滤波器的原理：有源滤波器利用运算放大器和电阻代替电感，从而实现滤波效果。运算放大器在这里的作用是不断给电路补充电阻消耗的能量。有源滤波器的优点和缺点：优点：不用电感元件、有一定增益、重量轻、体积小和调试方便，可用在信息处理、数据传输和抑制干扰等方面。缺点：但因受运算放大器的频带限制，这类滤波器只能工作在低频。有源滤波电路的分类有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。主要分为：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）全通滤波器（APF）滤波器的主要技术指标和设计方法中心频率（CenterFrequency）：滤波器通带的中心频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。截止频率（CutoffFrequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。通带带宽（BWxdB）：指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。插入损耗（InsertionLoss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征。典型二阶有源低通滤波器如右图所示，为防止自激和抑制尖峰脉冲，在负反馈回路可增加电容C3，C3的容量一般为22pF－51pF。该滤波器每节RC电路衰减－20dB／10倍频程，每级滤波器－40dB／10倍频程。C1C2C3R1R2RaAVOViRb二阶有源LPF的设计式中Auf、ωn、Q分别表示如下：1VbfaRAR12121nRRCC121221211()(1)VfRRCCQCRRARC222()VnfnnAAsssQ通带增益：固有角频率：品质因数：传递函数的关系式为：下面介绍设计二阶有源LPF时选用R、C的两种方法。方法一：设Avf=1，R1=R2，则Ra=，以及1212CQC1212nfRCC12nQCR212nCQR2124CnQC（n为阶数）2、设计方法12nfRC13VfQAnf由上式得知,Q可分别由R、C值和运放增益Auf的变化来单独调整，相互影响不大，因此该设计法对要求特性保持一定而在较宽范围内变化的情况比较适用，但必须使用精度和稳定性均较高的元件。方法二：R1=R2=R，C1=C2=C，则nf电压跟随器定义：电压跟随器，就是输出电压与输入电压是相同的，电压跟随器的电压放大倍数接近1。特点：输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。。作用：在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。Uo/Ui=1＋Rf/R这里Rf=0，R=∞所以Uo=Ui。电压/电流转换电路电压—电流转换电路：电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。应用：长距离传送模拟电压信号时，因信号源内阻及电缆电阻产生压降，受信端输入阻抗越低相对压降越大，误差也越大。若要高精度传送电压信号，必须把电压信号先变为电流信号，即进行电流传送.。如图所示为实用的电压-电流转换电路。由于电路引入了负反馈，A1构成同相求和运算电路，A2构成电压跟随器。图中R1=R2=R3=R4=R。因此：A1构成同相求和运算电路，因此·，代入上式Uo1=Up2+UI，Ro上的电压URo=Uo1-Up2=UI，则Io=UI/Ro电流—电压转换电路：与电压—电流电路正好相反，它是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号。应用：在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号4~20mA，为此，常要先将其转换成±10V；的电压信号，以便送给各类设备进行处理。如图所示为电流-电压转换电路。在理想运放条件下，输入电阻Ri=0，因而iF=iS，故输出电压Uo=-Is·RfRs比Ri大得愈多，转换精度愈高。加减运算电路反相求和运算电路：差分比例运算电路（Rf=R时即为减法运算）：如果在同相和反相输入端分别加上输入信号（如左图所示），则构成差分比例运算电路。分析此电路可得，Uo=(Ui2－Ui1）xRf/R。若使Rf=R，则Uo=Ui2－Ui1，比较器电路电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高。由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0，R3=RF=∞时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成下图的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，