运算放大器与有源滤波器更新

运算放大器与有源滤波器一、运算放大器的基本结构图1-1运算放大器基本结构1、差动式输入级：提高共模信号抑制能力，经常采用采用双输入双输出形式。2、电压放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。3、输出级：提高输出功率。通常由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。二、运算放大器的性能指标：1、输入偏置电流（InputBiasCurrent），IIB：是指当输出电压为0时，差动放大级的两输入静态电流的平均值，也就是指差动放大电路中三级管的基极工作电流，正常情况下运放的输入偏值电流在10nA~1uA之间，通常是由输入电阻和反馈电阻提供，从而限制了运放的输入电阻和反馈电阻的阻值，因此在实际中不能将运放的反馈电阻选择的过大，一般选择K级。如果要达到pA级，通常前级放大器使用电压型控制器件（FET），这样就可以使用大的输入电阻和反馈电阻。2、输入失调电流（InputOffsetCurrent），IIO：是指当输出电压为0时，两个输入端的静态基极电流之差，反映输入级差分对管不对称程度，一般为1nA~0.1uA，在实际应用中一般要求IIO越小越好。3、输入失调电压（InputOffsetVoltage）,VIO：在室温以及标准电源电压下，输入电压为0时，为了使输出电压也为0，需要在输入段施加的补偿电压，该电压就是输入失调电压，用来表征放大器内部的对称性。在实际中，对高放大倍数的运算放大器进行偏置补偿是十分困难的，原因一：微小的错误调节也会导致过补偿或者欠补偿，导致差动信号进一步被放大；原因二：偏置电压对温度的依赖性比较大，即我们经常说的输入失调电压温漂。4、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）αVIO：是指在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。该参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃5、输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）：是指在给定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。该参数实际是输入失调电流的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用于直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。6、输入阻抗：运算放大器的输入阻抗分为共模输入阻抗和差模输入阻抗。共模输入阻抗是指运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻。差模输入阻抗是指运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。在实际看到运放参数仅给出输入电阻（差模输入电阻）参数。7、输出阻抗：是指运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻，通常在资料中看到的是运放的输出电阻，它用来表征运放的带载能力。对于电压型运放来说输出电阻越小带载能力越强，对于电流型运放来说输出电阻越大，带载能力越强。8、转换速率（SlewRate）SR：放大器的闭环情况下，输入为最大信号，输出电压对时间比值，用来衡量放大器的响应速度。9、共模抑制比（CommonModeRejectionRatio），CMRR：放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比。用来说明差动放大电路抑制共模信号的能力（抗干扰的能力）。差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CCMR→∞，这是理想情况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋于无穷大，典型值一般不会大于140dB。电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（抗干扰）的能力也就越差。10、开环差模电压增益，odA：开环差模电压增益odA指在无外加反馈情况下的直流差模增益，它是决定运算精度的重要指标，通常用分贝表示，即，odA=i2i1olg20VVV不同功能的运放，odA相差悬殊，高质量的运放可达140dB。11、最大差模输入电压VIdmax：是指集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。如果输入电压超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久损坏，利用平面工艺支撑的NPN管约为5V左右，而横向的BJT可达30V以上。12、单位增益带宽积BWG：是指下降3dB时所对应的信号频率称为增益带宽积，对于高性能的运放一般在兆级以上。三、运算放大器的种类1、按制作工艺分类按照制造工艺，集成运放分为双极型、COMS型和BiFET型三种，其中双极型运放功能强、种类多，但是功耗大；CMOS运放输入阻抗高、功耗小，可以在低电源电压下工作；BiFET是双极型和CMOS型的混合产品，具有双极型和CMOS型运放的优点。2、按照工作原理分类（1）电压放大型：输入是电压，输出回路等效成由输入电压控制的电压源，F007，LM324和MC14573属于这类产品。（2）电流放大型：输入是电流，输出回路等效成由输入电流控制的电流源，例如：LM3900。（3）跨导型：输入是电压，输出回路等效成输入电压控制的电流源，例如：LM3080。（4）互阻型：输入是电流，输出回路等效成输入电流控制的电压源，例如：AD80093、按照性能指标分类（1）高输入阻抗型：对于这种类型的运放，要求开环差模输入电阻不小于1M，输入失调电压OSV不大于10mV。实现这些指标的措施主要是在电路结构上，输入级采用结型或MOS场效应管，这类运放主要用于模拟调解器、采样保持电路、有源滤波器中。例如：F3030。（2）低漂移型：对这类运放的要求是：输入失调电压温漂dVdTOS2V/C，输入失调电流温漂dTdIOS200pA/C，odA120dB，KCMRR110dB。实现这些功能的措施通常是，在电路结构上除采用超管和低噪声差动输入外，还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻，或在电路中加入自动控温系统以减小温漂。这种类型的运放主要用于毫伏级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算以及自动控制仪表中。目前，采用调制型的第四代自动稳零运放，可以获得0.1V/C的输入失调电压温漂。例如：FC72、F032、XFC78、OP07和OP27。（3）高速型：对于这类运放，要求转换速率SR30V/s，单位增益带宽10MHz。实现高速的措施主要是，在信号通道中尽量采用NPN管，以提高转换速率；同时加大工作电流，使电路中各种电容上的电压变化加快。高速运放用于快速A/D和D/A转换器、高速采样保持电路、锁相环精密比较器和视频放大器中。例如：F715、F722、F3554等，（4）低功耗型：对于这种类型的运放，要求在电源电压为15V时，最大功耗不大于6mW；或要求工作在低电源电压时，具有低的静态功耗并保持良好的电气性能。在电路结构上，一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻。在制造工艺上，尽量选用高电阻率的材料，减少外延层以提高电阻值，尽量减小基区宽度以提高值。低功耗的运放一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术设备中。例如：F253、F012、FC54、XFC75，ICL7600（5）高压型：为得到高的输出电压或大的输出功率，在电路设计和制作上需要解决三极管的耐压、动态工作范围等问题，在电路结构上常采取以下措施：利用三极管的CB结和横向PNP的耐高压性能；用单管串接的方式来提高耐压；用场效应管作为输入级。例如：F1536、F143和BG315，D41。四、几种常用运算放大器参数举例：从上表可以看出OP07的输入失调电压非常小，因此常用于小信号放大，主要用在话筒开关导唱检测。在音频运放NJM4580和NJM5532，可以看出NJM5532应用于对音频要求比较高的场合，大多数应用在KTV的机顶盒中，对于其他机顶盒中音频运放使用NJM4580即可。视频运放：AD8091（单通道视频运放）的基本参数：参数输入失调电压(mV)输入失调电流(nA)输入偏值电流(uA)转换速率V/us共模抑制比(dB)差分增益误差(％)差分相位误差(度)0.1dB平坦增益带宽（Hz）成本（元）AD80911.71001.4170880.030.0310M1.81从上图可以看出视频运放要求高转换速率，在0-6MHz带宽内增益是平坦的，且相移要小。五、反馈在集成运放中的应用参数型号输入失调电压(uV)输入失调电流(nA)输入偏值电流(nA)输入噪声电压UVp-p共模抑制比(dB)转换速率(V/uS)单位增益带宽积(MHz)成本（元）OP07601.220.35uVp-p1260.30.62.8NJM458050051000.8uVrms1105150.66NJM5532500102001008102.3实际中使用集成运放组成的电路中，总要引入反馈，以改善放大电路性能，因此掌握反馈的基本概念与判断方法是研究集成运放电路的基础。1、反馈的基本概念（1）什么是电子电路中的反馈：在电子电路中，将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式馈给输入回路，与输入信号一起共同作用于放大器的输入端，称为反馈。（2）正反馈与负反馈：若放大器的净输入信号比输入信号小，则为负反馈，反之若放大器的净输入信号比输入信号大，则为正反馈。就是说若XiXd，则为正反馈，若XiXd，则为负反馈。（3）直流反馈与交流反馈若反馈量只包含直流信号，则称为直流反馈，若反馈量只包含交流信号，就是交流反馈。直流反馈一般用于稳定工作点，而交流反馈用于改善放大器的性能，所以研究交流反馈更有意义，2、反馈的判断反馈极性的判断，就是判断是正反馈还是负反馈。判断反馈极性的方法是瞬时极性法：其方法是，首先规定输入信号在某一时刻的极性，然后逐级判断电路中各个相关点的电流流向与电位的极性，从而得到输出信号的极性；根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性；若反馈信号使净输入信号增加，就是正反馈，若反馈信号使净输入信号减小，就是负反馈。例如，在图1-2a所示的电路中首先设输入电压瞬时极性为正，所以集成运放的输出为正，产生电流流过R2和R1，在R1上产生上正下负的反馈电压Vf，由于Vd=Vi－Vf，Vf与Vi同极性，所以VdVi，净输入减小，说明该电路引入负反馈。在图1-2b所示的电路中首先设输入电压Vi瞬时极性为正，所以集成运放的输出为负，产生电流流过R2和R1，在R1上产生上负下正的反馈电压Vf，由于Vd=Vi－Vf，Vf与Vi极性相反，所以VdVi，净输入减小，说明该电路引入正反馈。在图1-2c所示的电路中首先假设ii的瞬时方向是流入放大器的反相输入端Vn，相当于在放大器反相输入端加入了正极性的信号，所以放大器输出为负，放大器输出的负极性电压使流过R2的电流if的方向是从Vn节点流出，由于ii=id+if，有id=ii－if，所以iiid，就是说净输入电流比输入电流小，所以电路引入负反馈图1－2几种反馈形式电路图3、负反馈电路的作用：负反馈对放大电路的性能影响很大，除可以改变放大器的输入、输出电阻外，还可以稳定放大倍数、展宽频带、减小非线性失真。特别是当反馈深度很大时，改善的效果更加明显，但是事情都是一分为二的，反馈深度很大时，容易引起放大电路的不稳定，产生自激振荡。4、四种常见的反馈电路类型：（1）电压串联负反馈（2）电流并联负反馈（3）电压并联负反馈（4）电流串联负反馈六、几种常见信号放大电路：分析方式：虚短、虚断1、反相输入比例运算：电路如图1-4所示，利用“虚断”概念，由图得fii1利用“虚地”概念11N1RRvvvii