最全最詳細的運放原理應(yīng)用電路

最全最詳細的運放原理應(yīng)用電路第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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-+AZ1Zfvovs1vs2iZ1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2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

非線性應(yīng)用電路-+AvovIVREF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理想運放

失調(diào)和漂移0

推論因則因則第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月說明：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4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

集成運放基本應(yīng)用電路

反相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1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5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

同相放大器-+AR1Rf+-vsvoifi1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頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

同相跟隨器-+A+-vsvo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拉氏反變換

得注：拉氏反變換時

第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

加、減運算電路

反相加法器6.1.2運算電路-+AR2Rf+-vs2voifi2R1i1+-vs1因則因則即整理得說明：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。

令vs2=0則令vs1=0則例如第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

同相加法器-+AR2Rf+-vs1voR1+-vs2R3利用疊加原理：則

減法器Rf-+AR3vs1voR2vs2R1令vs2=0，則令vs1=0，第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

積分和微分電路

有源積分器-+ARC+-vsvo方法一：利用運算法則則方法二：利用拉氏變換拉氏反變換得第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

有源微分器利用拉氏變換：拉氏反變換得-+ARC+-vsvo

波形變換tvs0輸入方波積分輸出三角波vot0微分輸出尖脈沖tvo0第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

對數(shù)、反對數(shù)變換器

對數(shù)變換器-+AR+-vsvo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12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

改進型對數(shù)變換器-+A1+-vsvo+-A2VCC+-RLR3R4tovB2R2R5T1T2R1iC2iC1由圖由于（很?。﹦t（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13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

反對數(shù)變換器利用運算法則得由于整理得缺點：vo受溫度影響大。vs必須小于0。-+AR+-vsvoT第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

乘、除法器vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ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15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月vo1-+A1vXRXiXR1iXT1vo2-+A2vYRYiYR2iYT2-+A4T4iOvOR4iO-+A3R3vo3T3vZRZiZiZ分析方法二：A1、A2、A3對數(shù)放大器A4反對數(shù)放大器第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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?，?gòu)成對微小幅值電壓進行整流的電路。vo-+AvIR1voR2RL+-D1D2vI=0時vO

=0D1、D2vO=0vI>0時vO

<0D1、D2vO=0vI<0時vO

>0D1、D2vO=-(R2/R1)vI工作原理：vOvI-R2/R1傳輸特性vItvOtvIR2R1-輸入正弦波輸出半波第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

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：vo-+AVRR1voR2RL+-D1D2R3vI由圖

vO

>0D1、D2傳輸特性vOvI-R2/R3VRR3R1-vO

<0D1、D2

vO=0則則第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

精密轉(zhuǎn)折點電路實現(xiàn)非線性的函數(shù)R/R1vo1-+A1VR1Rr1RD1D2R1vIvo2-+A2VR2Rr2RD3D4R2RR-+A3VR3Rr3RD5D6R3Rvo3-+A4vORR/R2R/R3vOvIvI1vI2vI3傳輸特性第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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vI1+-A1R1-+A2RGvo1vOvI2-+A3R2R3R4R5R6iGvo2第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

有源反饋儀器放大器可證明vI1+-A3R1-+A1RGvOIO+-A2R2R3VCCR5R6iGvI2RSVEEiSIOR4T1T2T3T4T1、T2差放T3、T4差放A3跟隨器A2跟隨器A1放大器

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21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

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RTR路橋不平衡vo

產(chǎn)生變化。儀器放大器RGRTRRRtoVREFvo第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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YXZCCvXvYvZiY=0iXiZY輸入端：

iY=0，即RY

；X輸入端：

vX=

vY

，且vX與iX

大小無關(guān)，RX0

；Z輸出端：

iZ=±iX

，且iZ

與vZ大小無關(guān)；第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

電流傳輸器構(gòu)成的模擬信號處理電路YXZCCviRLiXiOR+-

互導(dǎo)放大器

互阻放大器

電流放大器YXZCCisRLiXiOR2R1YXZCC1iiRvoiZ1RLYXCC2Z+-第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

負阻變換器YXZCC2iX1R2YXCC1ZviiIiZ2R1iZ1RL第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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)vidRidvO+-v+v-Avdvid+-Rod+-RicRicIIBIIBIIO2IIO2+-VIO+-AvdvicKCMR集成運放電路模型

差模特性KCMR高(80~120dB)，Ric高(>100M)

共模特性

輸入直流誤差特性IIB(10~100A)，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26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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。-+AR1Rf+-vsvoRLvidRidvO+-v-Avdvid-

+Rod+-R1Rfvs+-RL可證明其中Avd對精度影響最大。Avd越大，運算誤差越小。第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

KCMR、Ric為有限值的影響-+AR1Rf+-vsvoRL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。

RicvO+-v-AvdvidRod+-R1RfvsRLv+RicRid+-AvdvicKCMR第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

輸入偏置電流IIB對性能的影響-+AR1Rf+-vsvoR+=R1//Rf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。

因此，為減小IIB對運算精度的影響，要求外接在集成運放兩輸入端的直流電阻相等。第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

失調(diào)電流IIO與失調(diào)電壓VIO的影響vO+-R1RfRLIIBIIBIIO2IIO2+-VIOR+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30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

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32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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

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)。

由可知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33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

理想比較特性-+AvovIVREFvIvoVREFVomaxVomin0vI<VREF時，vo=VomaxvI>VREF時，vo=VominvI=VREF時，邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換

理想特性vIvoVREFVomaxVomin0

實際比較特性實際特性vI<VREF-Vomax/Avd時，vo=VomaxvI>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34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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-+AvovI+-R1D1D2RR（VREF=0）R1限流電阻，與D1、D2共同構(gòu)成電平變換電路。VOH=VZ+VD(on)VOL=-(VZ+VD(on))vIvoVOHVOL0比較特性tvO0tvI0第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

單限比較器-+AvovI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2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。令得門限電平即v+<v-若則vO=VOL即v+>v-若則vO=VOH比較特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。