运算放大器与有源滤波器(更新)

运算放大器和有源滤波器

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（Input Bias Current），I IB：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（Input Offset Current），I IO：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，在实际使用中一般要求I IO越小越好。

3、输入失调电压（Input Offset Voltage）,V IO：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和温度变化的比值。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和温度变化的比值。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和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和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，这个电压变化量和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（Slew Rate）S R：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（Common Mode Rejection Ratio ），CMRR ：放大器对差模信号的电压放大倍数Aud 和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，od A ：开环差模电压增益od A 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，

od A =

()i2i1o

lg

20V V V -∆∆

不同功能的运放，od A 相差悬殊，高质量的运放可达140dB 。

11、最大差模输入电压V Idmax ：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BW G ：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：

AD8009

3、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 Ω，输入失调电压OS V 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

d V d T

O S

<2μV/︒C ，输入失调电流温漂

dT

dI OS

<200pA/︒C ，od A ≥120dB ，K CMRR ≥110dB 。实

现这些功能的措施通常是，在电路结构上除采用超β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0.1μV/︒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SR>30V/μs ，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β值。低功耗的运放一