运算放大器

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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
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。
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。
ICL7600 )
6.高压大功率型运算放大器(D41 )
注:在没有特殊要求的场合,尽量选用通用 型集成运放,这样即可降低成本,又容易保证 货源。当一个系统中使用多个运放时,尽可 能选用多运放集成电路,例如LM324、 LF347等都是将四个运放封装在一起的集成 电路 按电源可分为: 1.双电源集成运算放大器 2.单电源集成运算放大器
差动放大电路
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。
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
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
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: 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)
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.。
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。
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。
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
按电路特性分: 1.通用型运算放大器(mA741、LM358、LM324及
LF356)
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2.高阻型运算放大器(LF356、LF355、LF347及
CA3130、CA3140)
3.低温漂型运算放大器(OP-07、OP-27、AD508及
ICL7650 )
4.高速型运算放大器(LM318、mA715 ) 5.低功耗型运算放大器(TL-022C、TL-060C 、
7.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。 8.共模信号抑制比(CMRR):运算放大器两输入 端与地之间加相同信号时,输入、输出间增益称 为共模电压增益AVC。则CMRR可定义为: CMRR=AV/AVC。此值越大越好,但是会随着信号 的频率升高而下降。 9.电源电压抑制比(SVRR):若电源变化△VS时等 效输入换算电压为△VIN,则SVRR定义为: SVRR= △VS/△VIN。此值越大越好,较小时输出 中出现电源噪声。
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,
比较器电路
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.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.电压增益(AV):也称为差动电压增益,是指输 出电压和输入电压的比值,即电压放大倍数。理想 放大器的AV无限大。 6.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。
回差比较器电路:若电路加上正反馈则电 路具有回差特性,也成为施密特触发器。
施密特触发器的应用:
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。
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 fn 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。
微积分电路
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。
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,它小于正负电源电压,也不可能 是无穷大。
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
运算放大器的分类、规格、型号、 用途、封装
李彬 与2010年5月
运算放大器的分类
按电路结构可分为: 1.双极型集成运算放大器 2.结场效应管输入集成运算放大器 3.MOS管输入集成运算放大器 4.CMOS管集成运算放大器 注:用双极型PNP晶体管做输入级输入电 阻比较小,但是工作稳定,随温度变化影 响小。而用MOS管做输入级正好相反。
运算放大器的内部电路
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。
实际运算放大器的参数
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。
运算放大器的封装
运算放大器的封装种类十分多,主要分 为单运放和双运放。如下图:
不同厂商和不同型号的运算放大器的封 装又不相同。
OP07
常见的一些封装形式:
运算放大器的用途
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
负反馈
10.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。 11.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。 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。GB=Aff。
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