運算放大器及運算放大器的選擇應用1第1頁，課件共62頁，創作于2023年2月信號的一般處理框架運放的基本理論運放的參數理想運放及其分析方法運放的應用電路運算放大器的選擇運放的穩定工作2第2頁，課件共62頁，創作于2023年2月信號的一般處理流程3第3頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器簡介運算放大器的內部框圖：輸入級中間級輸出級偏置電路IN-IN+Vout4第4頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器簡介輸入級：采用差動放大電路，決定整個運放的輸入阻抗、共模抑制比、零點漂移、信噪比及頻率響應等；中間級：采用放大電路，主要作用是提高運放的電壓增益輸出級：采用射極輸出器電路，決定運放的輸出阻抗和輸出功率；偏置電路：采用不同形式的電流源電路，為各級提供小而穩定的偏置電流。5第5頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的分類按用途分類：

a.通用型運放:一般的，大規模使用，價格便宜。通用型運放又分為低增益、中增益和高增益三類，也可稱為通用Ⅰ型、通用Ⅱ型和通用Ⅲ型集成運放。

6第6頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的分類

b.專用型運放，也成特殊型運放：某一方面性能參數優良。專用型運放又分為低功耗型、高輸入阻抗型、高速型（SR高）、高壓型、電流型、大功率型、跨導型及程控型等。

7第7頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的分類按集成個數分： 單運放、雙運放及四運放。8第8頁，課件共62頁，創作于2023年2月實際運放的參數---直流參數、交流參數直流指標：輸入失調電壓、輸入失調電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調電壓溫漂）、輸入偏置電流、輸入失調電流、輸入偏置電流的溫度漂移（簡稱輸入失調電流溫漂）、差模開環直流電壓增益、共模抑制比、電源電壓抑制比、輸出峰-峰值電壓、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓。交流指標：開環帶寬、單位增益帶寬、轉換速率SR、全功率帶寬、建立時間、等效輸入噪聲電壓、差模輸入阻抗、共模輸入阻抗、輸出阻抗。9第9頁，課件共62頁，創作于2023年2月實際運放的參數1.輸入失調電壓（VIO）：輸入失調電壓，簡稱VIO，其定義是為使運算放大器輸出端為0V(或接近0V)所需加于兩輸入端間之補償電壓。理想之運算放大器其VIO為0V，一般為毫伏級，此參數越小越好。反應了運放制造中電路的對稱情況。2.輸入偏置電流（IIB）：偏置電流（biascurrent）就是第一級放大器輸入晶體管的基極直流電流的平均值。此參數越小越好。10第10頁，課件共62頁，創作于2023年2月實際運放的參數3.輸入失調電流（IIO）：輸入失調電流（input

offset

current）兩輸入端輸入偏置電流之差的絕對值。該值也是越小越好。4.差模輸入電阻（RIN）：輸入電阻（inputresistance）兩輸入端間差動輸入電阻。該值是越大越好。5.差模電壓增益（AVD）：也稱為差動電壓增益，是指輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量的比值,即電壓放大倍數。理想放大器的AV無限大，實際運放一般大于80dB。11第11頁，課件共62頁，創作于2023年2月實際運放的參數6.共模電壓增益（AVC）：兩輸入端輸入差模電壓，輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量之比。7.最大輸出電壓（VOM）：對于實際運算放大器，若振幅變大，則輸出信號接近正、負電源電壓進入飽和狀態，出現失真。在出現失真之前的最大電壓稱為最大輸出電壓。8.共模輸入電壓范圍（VICM）：這表示運算放大器兩輸入端與地之間能加的共模電壓的范圍。12第12頁，課件共62頁，創作于2023年2月實際運放的參數9.共模抑制比（KCMR）：差模電壓增益AVD與共模電壓增益AVC之比稱為共模抑制比。可以表示為KCMR=20lg（AVD/AVC）dB。此值越大越好，但是會隨著信號的頻率升高而下降，一般都大于80dB。10.電源電壓抑制比（KSVR）：運放的失調電壓隨電源的變化率稱為電源電壓抑制比。即輸出信號受電源電壓的影響程度。若電源變化△VS時失調電壓變化量為△VIo，則KSVR定義為：KSVR=20lg（△VS/△VIo）dB。此值越大越好，較小時輸出中出現電源噪聲。13第13頁，課件共62頁，創作于2023年2月實際運放的參數11.消耗電流（ICC）：這是運算放大器電源端流通用的電流，隨外加電路與電源電壓的不同而變化。消耗電流越小越好，較大時放大器發熱增加引起輸出直流漂移增大。12.轉換速率（SR）：若輸入信號變化塊，則輸出跟不上輸入的變化速度。SR是表示這種跟蹤性能的參數。該值越大越好，但是該值高的運算放大器其他性能較差。13.增益帶寬乘積（GB）：表示電壓增益—頻率特性的參數，單位為MHZ。（單位增益帶寬）。14第14頁，課件共62頁，創作于2023年2月實際運放的參數15第15頁，課件共62頁，創作于2023年2月還應當注意的一些參數 最高電源電壓、功耗、工作溫度、引線溫度、輸出電阻、建立時間等。16第16頁，課件共62頁，創作于2023年2月理想運算放大器---理論分析理想運算放大器的主要特點: (1)開環電壓放大倍數A為無限大。（線性區虛短）

(2)輸入電阻Ri為無限大。（虛斷）

(3)輸出電阻Ro為零。17第17頁，課件共62頁，創作于2023年2月理想運放的分析方法線性區---工作在閉環負反饋狀態虛短虛斷飽和區----工作在開環、正反饋狀態虛斷比較輸出：18第18頁，課件共62頁，創作于2023年2月反饋 反饋：把輸出信號的一部分或全部以一定的方式送回輸入電路中，以增強或減弱輸入信號的效應。 理想運放的放大倍數為無窮大，實際運放的放大倍數也很大，利用負反饋可以控制放大器的放大倍數，提高增益精度，避免放大倍數過大造成失真。 同時引入負反饋還可以降低噪聲、失真、輸出阻抗，增大輸入阻抗。19第19頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的基本應用電路

放大電路有源濾波器微積分電路電壓跟隨器電壓—電流轉換電路加減運算電路比較器電路其他電路20第20頁，課件共62頁，創作于2023年2月由運算放大器組成的一些基本電路電路類型V1V2ZGZFZ1Z2反相放大器輸入信號GND由增益決定由增益決定開路ZG//ZF同相放大器GND輸入信號由增益決定由增益決定ZG//ZF開路反相積分器輸入信號GNDRGCG開路ZG//ZF緩沖器GND輸入信號開路短路短路開路差分放大器輸入信號-輸入信號+RGRFRGRF21第21頁，課件共62頁，創作于2023年2月電路中電阻的選擇 阻值小的電阻可以通過較大的電流，具有良好的頻率特性以及可以驅動放大器；但是阻值過小會增大電路的功率，減小輸出動態范圍。大阻值電阻會帶來更多的噪聲以及干擾漂移電流。選擇時應折中選擇（1K~1000K）。22第22頁，課件共62頁，創作于2023年2月放大電路---比例放大 放大電路的種類很多，主要分為反相放大電路和同相放大電路。 ①反相放大電路：信號由“-”端輸入，放大后的信號相位與放大前相差180度。23第23頁，課件共62頁，創作于2023年2月放大電路 使用上述電路做放大器電路時，如果放大倍數很大，則R1的值非常大。有時實裝與得到這種電阻都很困難，這時可以采用T型反饋電路，可有效降低R1的阻值。T型反饋電路24第24頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器組成的放大電路②同相放大電路：信號由“+”端輸入，輸出信號與輸入信號相位相同。同相放大電路25第25頁，課件共62頁，創作于2023年2月同相放大電路與反相放大電路的區別 同相放大器：輸入阻抗很大，但輸入共模電壓也大，共模抑制比CMRR引起的誤差在高頻時不可忽略。

反相放大器：輸入阻抗由輸入端的外界電阻決定，共模電壓小，可以減小共模抑制比CMRR引起的誤差。26第26頁，課件共62頁，創作于2023年2月積分電路 積分運算電路：與反相放大電路相比，用電容C代替電阻Rf作為負反饋元件就成為積分運算電路。容易得出，Uo=－1/(RC)×∫Uidt，其中RC為積分時間常數。27第27頁，課件共62頁，創作于2023年2月微分電路 將積分運算電路中的反相端輸入電阻和反饋電容互相交換位置后即為微分運算電路。微分電路對高頻干擾敏感。28第28頁，課件共62頁，創作于2023年2月微積分電路的應用微分電路：微分電路可把矩形波轉換為尖脈沖波。

1.提取脈沖前沿（反應突變）

2.高通濾波

3.改變相角（加）積分電路：積分電路可將矩形脈沖波轉換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉換為拋物波。

1.延遲、定時、時鐘

2.低通濾波

3.改變相角（減）29第29頁，課件共62頁，創作于2023年2月有源濾波器 有源濾波器的原理：有源濾波器利用運算放大器和電阻代替電感，從而實現濾波效果。運算放大器在這里的作用是不斷給電路補充電阻消耗的能量。 有源濾波器的優點和缺點： 優點：不用電感元件、有一定增益、重量輕、體積小和調試方便，可用在信息處理、數據傳輸和抑制干擾等方面。 缺點：但因受運算放大器的頻帶限制，這類濾波器只能工作在低頻。30第30頁，課件共62頁，創作于2023年2月有源濾波電路的分類

有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。它是在運算放大器的基礎上增加一些R、C等無源元件而構成的。主要分為： 低通濾波器（LPF） 高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（BEF） 全通濾波器（APF）31第31頁，課件共62頁，創作于2023年2月濾波器的主要技術指標和設計方法 中心頻率（CenterFrequency）：濾波器通帶的中心頻率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。 截止頻率（CutoffFrequency）：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。 通帶帶寬：指可以通過的信號的頻譜寬度。32第32頁，課件共62頁，創作于2023年2月一階低通濾波器33第33頁，課件共62頁，創作于2023年2月

典型二階有源低通濾波器如右下圖所示，為防止自激和抑制尖峰脈沖，在負反饋回路可增加電容C3，C3的容量一般為22pF－51pF。該濾波器每節RC電路衰減－20dB／10倍頻程，每級濾波器－40dB／10倍頻程。二階有源LPF的設計34第34頁，課件共62頁，創作于2023年2月通帶增益：固有角頻率：品質因數：傳遞函數的關系式為：35第35頁，課件共62頁，創作于2023年2月

設計方法：性能參數可以由R、C值和運放增益Auf的變化來單獨調整，設Avf=1，R1=R2，則Ra=，（n為階數）36第36頁，課件共62頁，創作于2023年2月電壓跟隨器

定義： 電壓跟隨器，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，電壓跟隨器的電壓放大倍數接近1。

特點： 輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。

。37第37頁，課件共62頁，創作于2023年2月作用：在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。38第38頁，課件共62頁，創作于2023年2月電壓/電流轉換電路 電壓—電流轉換電路：

電壓/電流轉換即V/I轉換，是將輸入的電壓信號轉換成滿足一定關系的電流信號，轉換后的電流相當一個輸出可調的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會隨負載的變化而變化。 應用：長距離傳送模擬電壓信號時，因信號源內阻及電纜電阻產生壓降，受信端輸入阻抗越低相對壓降越大，誤差也越大。若要高精度傳送電壓信號，必須把電壓信號先變為電流信號，即進行電流傳送.。39第39頁，課件共62頁，創作于2023年2月

如圖所示為實用的電壓-電流轉換電路。A1構成同相求和運算電路，A2構成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R。可得到：Io=UI/Ro40第40頁，課件共62頁，創作于2023年2月將輸入的電壓信號轉換成滿足一定關系的電流信號。 應用：在工業控制中各類傳感器常輸出標準電流信號4~20mA，為此，常要先將其轉換成±10V；的電壓信號，以便送給各類設備進行處理。 如圖所示為電流-電壓轉 換電路。在理想運放條 件下，輸入電阻Ri=0， 因 而iF=iS，故輸出電 壓Uo=-Is·Rf Rs比Ri大得愈多，轉換 精度愈高。電流/電壓轉換電路41第41頁，課件共62頁，創作于2023年2月全加器42第42頁，課件共62頁，創作于2023年2月比較器電路 電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高。43第43頁，課件共62頁，創作于2023年2月輸出只有兩種穩定工作狀態：

高電平輸出；低電平輸出。單限比較器參考電平44第44頁，課件共62頁，創作于2023年2月比較器電路遲滯比較器：若電路加上正反饋則電路具有遲滯特性，也稱為施密特觸發器。45第45頁，課件共62頁，創作于2023年2月

一、波形變換 施密特觸發器可用以將模擬信號波形轉換成矩形波,正弦波信號同相轉換成矩形波的例子,輸出脈沖寬度可通過回差電壓加以調節。比較器電路46第46頁，課件共62頁，創作于2023年2月二、用于脈沖的整形 利用施密特電路可以將失真的數字信號還原，消除電路帶來的失真。47第47頁，課件共62頁，創作于2023年2月三、幅度鑒別 施密特觸發器的翻轉取決于輸入信號是否高于V+或低于V-，利用此特性可以構成幅度鑒別器，用以從一串脈沖中檢出符合幅度要求的脈沖。48第48頁，課件共62頁，創作于2023年2月

PWM調制電路：占空比D=Vin（max）/VrefVref49第49頁，課件共62頁，創作于2023年2月信號發生器正弦波信號發生器振蕩頻率50第50頁，課件共62頁，創作于2023年2月信號發生器方波發生器51第51頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的選擇1.通用運算放大器：能適用大多數場合，但是滿足不了一些特殊場合的要求。2.緩沖放大器：要求有非常高的輸入阻抗和非常低的輸出阻抗。3差模或差分放大器：差模放大電路有外部電阻和電容，所以它們的輸入阻抗不高。但是能有效地抑制共模噪聲。當信號電路的輸出電阻與差模電路的輸入電阻相當時差模放大電路不再適用。52第52頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的選擇4.儀表測量放大器：儀表放大器具有非常高的輸入阻抗以及高的共模抑制比，不存在電阻匹配問題。儀表放大器AD620的內部結構53第53頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的選擇

5.電流反饋型放大器（CFA） 特點：有很寬的帶寬，能達到GHz。（VFA最高頻率一般只能達到400MHz） 缺點：輸入阻抗低，最大電壓擺低，性能不穩定，對寄生電容敏感。54第54頁，課件共62頁，創作于2023年2月運算放大器的選擇

6.功率放大器（PA）：當一個運放輸出一定電壓，并提供超過幾百毫安的驅動電流的時候，就要考慮使用PA。

7.音頻放大器：特殊的功率放大器。55第55頁，課件共62頁，創作于2023年2月如何讓電路穩定工作 自激振蕩：如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現象叫做自激振蕩。 基本放大電路必須由多級放大電路構成，以實現很高的開環放大倍數，然而在多級放大電路的級間加負反饋，信號的相位移動可能使負反饋放大電路工作不穩定，產生自激振蕩