集成運算放大器及其應(yīng)用電路.ppt

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6 2集成運放性能參數(shù)及對應(yīng)用電路的影響 6 4集成電壓比較器 6 3高精度和高速寬帶集成運放 6 1集成運放應(yīng)用電路的組成原理 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 1集成運放應(yīng)用電路的組成原理 根據(jù)集成運放自身所處的工作狀態(tài) 運放應(yīng)用電路分 線性應(yīng)用電路和非線性應(yīng)用電路兩大類 線性應(yīng)用電路 Z1或Zf采用非線性器件 如三極管 則可構(gòu)成對數(shù) 反對數(shù) 乘法 除法等運算電路 Z1或Zf采用線性器件 R C 則可構(gòu)成加 減 積分 微分等運算電路 組成 集成運放外加深度負反饋 因負反饋作用 使運放小信號工作 故運放處于線性狀態(tài) 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 非線性應(yīng)用電路 組成特點 運放開環(huán)工作 由于開環(huán)工作時運放增益很大 因此較小的輸入電壓 即可使運放輸出進入非線區(qū)工作 例如電壓比較器 6 1 1集成運放理想化條件下兩條重要法則 因 則 因 則 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 說明 相當于運放兩輸入端 虛短路 虛短路不能理解為兩輸入端短接 只是 v v 的值小到了可以忽略不計的程度 實際上 運放正是利用這個極其微小的差值進行電壓放大的 同樣 虛斷路不能理解為輸入端開路 只是輸入電流小到了可以忽略不計的程度 相當于運放兩輸入端 虛斷路 實際運放低頻工作時特性接近理想化 因此可利用 虛短 虛斷 運算法則分析運放應(yīng)用電路 此時 電路輸出只與外部反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān) 而不涉及運放內(nèi)部電路 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 集成運放基本應(yīng)用電路 反相放大器 類型 電壓并聯(lián)負反饋 因 則 反相輸入端 虛地 因 則 由圖 輸出電壓表達式 輸入電阻 輸出電阻 因 因深度電壓負反饋 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 同相放大器 類型 電壓串聯(lián)負反饋 因 則 注 同相放大器不存在 虛地 因 由圖 輸出電壓表達式 輸入電阻 輸出電阻 因深度電壓負反饋 因 則 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 同相跟隨器 由圖得 因 由于 所以 同相跟隨器性能優(yōu)于射隨器 歸納與推廣 當R1 Rf為線性電抗元件時 在復(fù)頻域內(nèi) 反相放大器 同相放大器 得 注 拉氏反變換時 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 加 減運算電路 反相加法器 6 1 2運算電路 因 則 因i 0 則 即 整理得 說明 線性電路除可以采用 虛短 虛斷 概念外 還可采用疊加原理進行分析 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 同相加法器 利用疊加原理 則 減法器 令vs2 0 則 令vs1 0 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 積分和微分電路 有源積分器 方法一 利用運算法則 方法二 利用拉氏變換 拉氏反變換得 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 方法三 利用運算法則 有源微分器 方法一 利用拉氏變換 拉氏反變換得 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 方法二 利用運算法則 波形變換 輸入方波 積分輸出三角波 微分輸出尖脈沖 波形變換 積分電路 微分電路 對數(shù) 反對數(shù)變換器 對數(shù)變換器 利用運算法得 由于 整理得 缺點 vo受溫度影響大 動態(tài)范圍小 vs必須大于0 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 改進型對數(shù)變換器 由圖 由于 很小 則 T1 T2特性相同 利用R4補償VT 改善溫度特性 vS大范圍變化時 vO變化很小 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 反對數(shù)變換器 指數(shù)變換器 利用運算法則得 由于 整理得 缺點 vs必須小于0 vo受溫度影響大 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 乘 除法器 因T1 T2 T3 T4構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán) 則 分析方法一 由圖 整理得 實現(xiàn)乘 除運算 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 分析方法二 A4反對數(shù)放大器 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 1 3精密整流電路 精密半波整流電路 利用集成運放高差模增益與二極管單向?qū)щ娞匦?構(gòu)成對微小幅值電壓進行整流的電路 vI 0時 vO 0 D1 D2 vO 0 vI 0時 vO 0 D1 D2 vO 0 vI0 D1 D2 vO R2 R1 vI 工作原理 輸入正弦波 輸出半波 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 精密轉(zhuǎn)折點電路 當v 0 即vI R3 R1 VR時 當v 0 即vI R3 R1 VR時 由圖 vO 0 D1 D2 vO 0 D1 D2 則vO 0 則 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù) R R1 R R2 R R3 傳輸特性 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 1 3儀器放大器 儀器放大器是用來放大微弱差值信號的高精度放大器 特點 KCMR很高 Ri很大 Av在很大范圍內(nèi)可調(diào) 三運放儀器放大器 由 得 由 得 由減法器A3得 若R1 R2 R3 R5 R4 R6 整理得 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 有源反饋儀器放大器 可證明 采用嚴格配對的低噪聲對管和精密電阻 可構(gòu)成低噪聲 高精度 增益可調(diào)的儀器放大器 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 儀器放大器的應(yīng)用 儀器放大器單片集成產(chǎn)品 LH0036 LH0038 AMP 03 AD365 AD524等 例 儀器放大器構(gòu)成的橋路放大器 溫度為規(guī)定值時 RT R 路橋平衡 vo 0 溫度變化時 RT R 路橋不平衡 vo產(chǎn)生變化 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 1 5電流傳輸器 電流傳輸器 通用集成器件 廣泛用于模擬信號處理電路中 電流傳輸器電路符號及特點 Y輸入端 iY 0 即RY X輸入端 vX vY 且vX與iX大小無關(guān) RX 0 Z輸出端 iZ iX 且iZ與vZ大小無關(guān) 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 電流傳輸器構(gòu)成的模擬信號處理電路 互導(dǎo)放大器 互阻放大器 電流放大器 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 負阻變換器 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 2集成運放性能參數(shù)及對應(yīng)用電路影響 6 2 1集成運放性能參數(shù) Avd高 80 140dB Rid高 M Rod低 200 差模特性 KCMR高 80 120dB Ric高 100M 共模特性 輸入直流誤差特性 IIB 10 100 A VIO mV IIO 為IIB的5 10 大信號動態(tài)特性 轉(zhuǎn)換速率SR 全功率帶寬BWP 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 集成運放電路模型 6 2 2直流和低頻參數(shù)對性能的影響 Avd Rid Rod為有限值的影響 運放應(yīng)用場合不同 各項性能參數(shù)影響也不同 因此工程估算時 可針對不同場合 有選擇地分析運算誤差 可證明 其中 Avd對精度影響最大 Avd越大 運算誤差越小 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 KCMR Ric為有限值的影響 可證明 其中 Avd KCMR越大 同相放大器運算精度越高 由于同相放大器輸入端引入了共模信號 因此必須考慮KCMR的影響 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 輸入偏置電流IIB對性能的影響 則IIB在外電路反相端產(chǎn)生的直流電壓 則IIB在外電路同相端產(chǎn)生的直流電壓 設(shè)R R 分別為外電路在反相端和同相端等效的直流電阻 輸入偏置電流 若 則 輸出無失調(diào) 例 注 平衡電阻R 的接入對性能指標計算沒有影響 但運算精度得到明顯改善 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 失調(diào)電流IIO與失調(diào)電壓VIO的影響 可證明 為減小失調(diào)的影響 在R 較小時 應(yīng)選擇VIO小的運放 在R 較大時 應(yīng)選擇IIO小的運放 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 2 3高頻參數(shù)對性能的影響 小信號頻率參數(shù) 開環(huán)帶寬BW 內(nèi)補償?shù)募蛇\放可近似看成是單極點系統(tǒng) 該運放的上限截止頻率即開環(huán)帶寬BW 或稱3dB帶寬 單位增益帶寬BWG 指增益下降到1 0dB 時對應(yīng)的頻率 小信號工作時 其值為常數(shù) 且BWG AvdI BW 當運放閉環(huán)工作時 BWG等于反饋電路的增益帶寬積 反饋越深 Avf越小 閉環(huán)帶寬BWf越寬 即BWG Avf BWf 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 大信號動態(tài)參數(shù) 指集成運放輸出電壓隨時間最大可能的變化速率 其值越大 運放高頻性能越好 影響SR主要原因 運放內(nèi)部存在寄生電容和相位補償電容 轉(zhuǎn)換速率 又稱壓擺率 指集成運放輸出最大不失真峰值電壓時 允許的最高工作頻率 全功率帶寬 當SR一定時 最大不失真輸出電壓與工作頻率成反比 工作頻率越高 不失真輸出的Vom就越小 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 4集成電壓比較器 電壓比較器的作用 比較兩輸入信號大小 并以輸出高 低電平來指示 電壓比較器的特點 輸入模擬量 輸出數(shù)字量 實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換 6 4 1電壓比較器的作用 電壓比較器工作原理 可知 只要開環(huán)Avd很大 則v v 間的微小差值 即可使運放輸出工作在飽和狀態(tài) 由 v v 時 vO Vomax 正飽和值 v v 時 vO Vomin 負飽和值 v v 時 邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 因此 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 6 4 1具有不同比較特性的電壓比較器 單限電壓比較器 特點 運放開環(huán)工作 過零比較器 VREF 0 R1限流電阻 與D1 D2共同構(gòu)成電平變換電路 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 理想比較特性 vI VREF時 vO Vomax vI VREF時 vO Vomin vI VREF時 邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 理想特性 實際比較特性 實際特性 vI VREF Vomax Avd時 vO Vomax vI VREF Vomin Avd時 vO Vomin 注 Avd越大 比較特性越接近理想特性 VREF作為門限值的比較精度越高 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 單限比較器 分析方法 1 令v v 求出的輸入電壓vI即門限電平 2 分別分析vI大于門限 小于門限時的輸出vO電平 令 得門限電平 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 單限比較器優(yōu)點 電路結(jié)構(gòu)簡單 可不計有限KCMR的影響 單限比較器缺點 電路抗干擾能力差 例如 過零比較器 當門限電平附近出現(xiàn)干擾信號時 輸出會出現(xiàn)誤操作 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 反相輸入遲滯比較器 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 原理 v v 相比較 v v 時 vO1 Vomax 正飽和值 vO VoH v v 時 vO1 Vomin 負飽和值 vO VoL v v 時 邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換 v vI 遲滯比較器 V V VO VOH 當vI由小于VIL的值向正的增加 VO VOH V VIH當vI增加到VIL 發(fā)生由高電平向低電平變換 V V VO VOL 當vI由大于VIH的值向負的減少 VO VOL V VIL當vI減少到VIL 發(fā)生由低電平向高電平變換 令 得門限電平 求解反相輸入遲滯比較器 遲滯寬度 習(xí)題6 29 a A vO vI R3 D1 D2 R R1 R2 得門限電平 同相輸入遲滯比較器 遲滯寬度 將反相遲滯比較器中的vI接在同相端 即得同相輸入遲滯比較器 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 遲滯比較器優(yōu)點 電路抗干擾能力強 例 反相輸入遲滯比較器的比較特性如圖示 在已知輸入信號時 試畫輸出信號波形 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 遲滯比較器 在遲滯比較器中 集成運放多工作在非線性區(qū) 輸出電壓只有VOH高電平和VOL低點平兩種情況一般用電壓傳輸特性 比較特性曲線 來描述輸出電壓VO與輸入電壓VI的關(guān)系傳輸特性的三要素 輸出電壓高低電平 取決于輸出限幅電路門限電平 令U U 所求UI就是門限電平輸出電壓發(fā)生越變的方向 取決于同相輸入還是反相輸入 遲滯比較器應(yīng)用 方波發(fā)生器 設(shè)t 0時 vO VOH 初始vC 0 則VOH經(jīng)R向C充電 vC按指數(shù)規(guī)律 當vC VIH時 vO跳變?yōu)閂OL 此時C經(jīng)R放電 vC按指數(shù)規(guī)律 當vC VIL時 vO又上跳到VOH 可證振蕩周期 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 窗孔比較器 具有兩個基準電源 可以判斷位于兩個指定門限之間的輸入信號 特點 組成 A1精密整流電路 A2單限比較器 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 由A2 當00 D1 D2 得下門限 由A2 當vI 0 且vI VREF1時 vO1 0 D1 D2 得上門限 此時 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路 遲滯寬度 第6章集成運算放大器及其應(yīng)用電路