运放及运放的选择应用

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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)
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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。
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.。
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:
IN输 入 级 中 间 级 偏置电路 输 出 级 Vout
IN+
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。
C3 Rb Ra R1 R2 C2
A
VO C1
Vi
传递函数的 关系式为:
A( s )
AV s2
n
Q
f
n
2
s n 2
式中 Auf 、ωn 、Q分别表示如下: 通带增益: 固有角频率:
AV
f
Rb 1 Ra
1 R1 R2C1C2
n
品质因数:
Q
R1 R2C1C2 C2 ( R1 R2 ) (1 AV f ) R1C1
2、 设计方法
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

1 Q 2
C1 C2
1 fn 2 R C1C2
C1 n 4Q 2 C2
2Q C1 n R
1 C2 2Qn R
(n为阶数)
方法二:R1=R2=R,C1=C2=C,则
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。
V2 GND 输入信 号 GND 输入信 号 输入信 号+
ZG 由增益 决定 由增益 决定 RG 开路 RG
ZF 由增益 决定 由增益 决定 CG 短路 RF
Z1 开路 ZG// ZF 开路 短路 RG
Z2 ZG// ZF 开路 ZG// ZF 开路 RF
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)。
1 Q 3 AVf
1 fn 2 RC
由上式得知 f n ,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 f n 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 反相放 大器 同相放 大器 反相积 分器 缓冲器 差分放 大器
V1 输入信 号 GND 输入信 号 GND 输入信 号-
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 (input offset current)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(input resistance )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。
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) x Rf / R。 若使Rf = R,则Uo = Ui2 -Ui1,
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(Input off set Voltage),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 (bias current) 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。
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(Center Frequency):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(Cutoff Frequency):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。
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)
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。
插入损耗(Insertion Loss):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 。
二阶有源LPF的设计
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。
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)×∫Ui dt, 其中 RC为积分时间常数。
微积分电路的应用
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。
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· Rf Rs比Ri大得愈多,转换 精度愈高。
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