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1、運算放大器及其基本應(yīng)用,運算放大器是一種高增益多級直接耦合放大器,1 運算放大器的基本特性,輸入偏置電流I,IB,:表示了運放輸入端正常工作時需提供的偏置電流，它的大小間接反映了運放芯片的輸入電阻。,I,IB,愈小，輸入電阻愈大，芯片的溫漂和運算精度愈高。理想運放為0。,輸入失調(diào)電壓V,IO,:反映了運放芯片本身輸入級差分對管的對稱程度，所以當(dāng)VI=0時，VO0。為了使輸出為0，等效在輸入端施加的補(bǔ)償電壓（失調(diào)補(bǔ)償調(diào)零電位器不起作用時）即為V,IO,。愈小愈好，理想運放V,IO,=0。,輸入失調(diào)電流I,IO,:當(dāng)運放的輸出電壓為零時，將兩輸入端偏置電流的差稱為輸入失調(diào)電流。I,IO,=I,P,

2、-I,N,。,運算放大器的基本特性,開環(huán)增益:直接影響運算精度和許多特性指標(biāo)，,A,o愈大愈好。理想運算放大器,A,o為無窮大。,差模輸入電阻,r,id,:指的是輸入端參加差模信號時，運放芯片的輸入呈現(xiàn)的電阻。,r,id,愈大，意味著從信號源（或前級電路）提取的電能愈小，對信號源影響愈小。也就是,r,id,對信號源而言，就相當(dāng)于它的負(fù)載。理想運放的,r,id,為無窮大。,理想運放輸出電阻ro。理想閉環(huán)電路ro=0，ro表征器件對負(fù)載的驅(qū)動能力。,帶寬BW，又稱單位增益帶寬或增益帶寬積。指的是當(dāng)運放的閉環(huán)增益為1（即0dB）時的帶寬。一般增益與帶寬的乘積為一常數(shù)，故閉環(huán)增益愈高，實際運放電路的帶

3、寬愈小。運放的BW主要由芯片內(nèi)部的器件與電路決定。理想運放的BW 為無窮大。,供電電源:單極性，雙極性。理想運放供電不受限制。,功耗P,C,：理想運放為零,共模抑制比CMRR：反響了芯片對共模信號的抑制能力,輸入噪聲V,n,：,每個運放都有內(nèi)部寄生噪聲，運放的噪聲是通過在輸出端測量然后換算到輸入端的,.,噪聲是一個隨機(jī)交流信號，包含全頻率段的頻率成分，而且它是運放固有的，無法通過在輸入端加上相反的電壓來消除。為了減小模擬電路的噪聲，我們通常能做的有：1）選擇噪聲較小的運放。2）想方法減小模擬地的噪聲。3）使用高PSRR的線性電源管理芯片單獨為模擬電路供電，以減小電源上的噪聲。4）對信號進(jìn)行濾波

4、。5）盡量使用10K以下阻值的電阻，因為電阻會引入熱噪聲，引入的熱噪聲大小與電阻值成正比。,電壓噪聲頻譜密度,是指每平方根赫茲的有效(RMS)噪聲電壓（通常單位為nV/）,電源抑制比PSRR：,輸入電源變化量(以伏為單位)與轉(zhuǎn)換器輸出變化量(以伏為單位)的比值，常用分貝表示,轉(zhuǎn)換速率（擺動率）SR：,運放在大幅度階躍信號作用下，輸出信號所能到達(dá)的最大變化率，單位：V/uS,調(diào)零消除失調(diào)誤差,運放調(diào)零的基本原理：在運放的輸入端外加一個補(bǔ)償電壓，以抵消運放本身的失調(diào)電壓，到達(dá)調(diào)零的目的。,有些運放已經(jīng)引出調(diào)零端，只需要按照器件的規(guī)定，接入調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)零即可。沒有調(diào)零端的，可采用同相調(diào)零或者反相調(diào)

5、零的方法。,運算放大器的基本特性,2運算放大器的一個重要特性三“虛”,虛斷,虛地,虛短,1 基本放大電路,放大倍數(shù):,輸入電阻:,輸出電阻:,R,i,=R,1,R,o,=0,R,i,=r,ic,R,o,=0,R,ic:,運放同相端對地共模輸入電阻，一般為10,8,歐。,平衡電阻:,R,P,=R,1,/R,F,2 差分輸入放大電路,輸入輸出關(guān)系:,如何實現(xiàn),U,o,=(U,i2,-U,i1,)K,?,R,1,=R,3,R,2,=R,4,2 差分輸入放大電路,輸入輸出關(guān)系:,U,i1,U,i2,輸入電阻無窮大,便攜式電子產(chǎn)品中應(yīng)用,2 差分輸入放大電路,輸入輸出關(guān)系:,R,1,=R,2,輸入電阻無

6、窮大,完成雙極性到單極性放大.常用于儀表放大電路,3 精密整流放大電路,U,i,大于零時,二極管導(dǎo)通情況:,D,2,導(dǎo)通,D,1,截止,U,i,小于零時,二極管導(dǎo)通情況:,D,1,導(dǎo)通,D,2,截止,如果:,4 微分電路,反響電流設(shè)置在0.10.5mA,缺點:信號頻率增加時,電容容抗減小,放大倍數(shù)增加.對高頻噪聲敏感.,有用微分電路,RC,1,=R,f,C,5積分電路,C,f,小于1uF,缺點:低頻時,電容容抗很大,放大倍數(shù)增加.,有用積分電路,R10R,1,6 比較器,7 窗比較器,8 RC正弦波振蕩器,文氏電橋,振蕩頻率,起振條件,穩(wěn)定條件,8 RC正弦波振蕩器,雙T正弦波振蕩器,振蕩頻率

7、,振蕩頻率,起振條件,9 方波信號發(fā)生器,10 階梯波發(fā)生器,一個方波周期內(nèi),階梯波周期,11 自舉式交流電壓放大器,放大倍數(shù):,輸入電阻:,耦合電容:,R,i,=R,1,12 單電源供電的交流電壓放大器,13 方波三角波產(chǎn)生電路,a斷開時,，,U,+,=U,-,=0,假設(shè)U,O1,=V,CC,得：,同理，U,O1,=-V,CC,時，可得,13 方波三角波產(chǎn)生電路,U,O1,=V,CC,時,13 方波三角波產(chǎn)生電路,三角波周期,三角波頻率,三角波幅度,14 方波鋸齒波產(chǎn)生電路,鋸齒波周期,鋸齒波頻率,鋸齒波幅度,14 三角波正弦波變換,15 濾波器設(shè)計,濾波器幅頻特性,15 濾波器設(shè)計,三種類

8、型的有源低通濾波器,濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q，也稱為濾波器的截止特性系數(shù)，其值決定于f=f,0,附近的頻率特性。,巴特沃斯：Q=0.707,幅頻特性無峰值，在f=f,0,附近處的特性曲線單調(diào)減,切比雪夫：Q=1,f=f,0,附近的截止特性最好，曲線衰減最陡。但通帶有幅頻特性有峰值,貝塞爾：Q=0.56,過渡特性最好，相頻特性無峰值,二階RC濾波器傳輸函數(shù),類型,傳輸函數(shù),性能參數(shù),低通,高通,帶通,帶阻,AV電壓增益,c,上下通濾波器截止頻率,0,帶通、帶阻濾波器中心頻率,Q,品質(zhì)因數(shù),或,當(dāng),BW帶通帶阻濾波器帶寬,常用電路類型,VCVS:運放為同相輸入，輸入電阻很高，輸出電阻很低，濾波器相當(dāng)于一

9、個電壓源。優(yōu)點為電路性能穩(wěn)定，增益易調(diào)節(jié)。,MFB:運放為反相輸入，輸出端通過C1R2形成兩條反響支路，故稱無限增益多路反響電路。優(yōu)點是電路有倒相作用，使用元器件較少，但增益調(diào)節(jié)對其性能參數(shù)會有影響，故應(yīng)用范圍比VCVS電路少。,二階有源低通濾波器設(shè)計,C3:抑制尖峰脈沖，通常2251pF,二階有源低通濾波器設(shè)計,方法一：令A(yù),V,=1,R,1,=R,2,=R,R,3,為無窮大,由于通頻帶增益A,V,=1,因而工作穩(wěn)定，故適用于高Q值電路,二階有源低通濾波器設(shè)計,方法二：令R,1,=R,2,=R,C,1,=C,2,=C,品質(zhì)因數(shù)Q值按照近似特性，有如下分類：,Q0.707,巴特沃斯特性,Q0.

10、58，貝塞爾特性,Q0.96 切比雪夫特性,二階有源高通濾波器設(shè)計,二階有源高通濾波器設(shè)計,方法一：令A(yù),V,=1,C,1,=C,2,=C,方法二：令C,1,=C,2,=C，R,1,=R,2,=R,二階有源帶通濾波器設(shè)計,RCR,3,C,1,才能形成通帶,改變R,F,和R,1,的比例，可改變帶寬和通帶增益而中心頻率不變。,A,uf,=1+R,F,/R,1,二階有源帶阻濾波器設(shè)計,由低通和高通無源RC網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)成雙T網(wǎng)絡(luò)，在與運放和電阻組成二價帶阻濾波器,改變R,F,和R,1,的比例，可改變帶寬和通帶增益而中心頻率不變。,A,uf,=1+R,F,/R,1,RC有源濾波器快速設(shè)計,設(shè)計步驟,1.根據(jù)

11、截止頻率f,c,，選定一個電容C 的標(biāo)稱值，使其滿足K=100/(f,c,C)，C的單位為uF。K值不能太大，否則會使電阻的取值較大，從而使引入的誤差增加，通常取大于等于1，小于等于10。,2.查表，得出與Av對應(yīng)的電容值及K=1時的電阻值，再將這些電阻值乘以參數(shù)K，得出電阻的設(shè)計值。,3.實驗調(diào)整并修改電容電阻值，測量濾波器的性能參數(shù),設(shè)計舉例,設(shè)計一個二階壓控電壓源低通濾波器，要求截止頻率f,c,=2KHz，增益Av=2,1、取C=0.01uF,K=100/(fcC)=100/(2000*0.01)=5,2、查表：Av2時，C,1,=C=0.01uF,K=1時，R,1,=1.126K,R,

12、2,=2.250K,R,3,=6.752K,R,4,=6.752K,3、將上述電阻值乘以參數(shù)K=5，得：,R,1,=51.126K=5.63K,R,2,=52.250K11.25K,R,3,=R,4,=56.752K33.76K,3.3.2 FilterLab濾波器輔助設(shè)計工具,FilterLab2.0是 Microchip公司推出的一款創(chuàng)新的濾波器免費下載軟件。使用該軟件防止了傳統(tǒng)濾波器設(shè)計的繁瑣計算。使設(shè)計大大簡化。,該軟件所設(shè)計的濾波器具有：,（1）巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫三種類型，其中貝塞爾只有LPF一類濾波器。,（2）階數(shù)18。,（3）增益110。,（4）LPF、BPF、HPF三種

13、類型。,（5）有塞林凱和多重反響二種電路形式。,（6）通帶截止頻率（Passband frequency）：0.1Hz1MHz。,（7）品質(zhì)因素Q：0.55.0,（8）阻帶衰減（Stopband Attenuation）：10dB100dB,3.3.3 開關(guān)電容濾波器,1開關(guān)電容濾波的基本原理,圖3.3.13（a）的簡單一階LBP/濾波器，通帶截止頻率fp=1/2，=RC。與其特性相同的開關(guān)電容濾波器由,MOS,模擬開關(guān)，集成電容和運放OA組成，如圖（b）所示。模擬開關(guān)S,1,、S,2,，電容C,1,模擬等效的電阻,R,。其阻值受模擬開關(guān)切換頻率（時鐘頻率）,f,CLK,和,C,1,操作。圖（

14、b）中驅(qū)動兩只模擬開關(guān)的時鐘信號分別為A和/A，兩者反相。,C,2,為積分電容。,開關(guān)電容濾波的基本原理,在A的正半周，,S,1,閉合、,S,2,斷開，電容,C,1,被充電到，在（=1/,f,CLK,）期間所積累的電荷Q=VixC1；,平均輸入電流i,i,=V,i,xC1/T,c,。其等效模擬電阻為,R,i,=V,i,/i,i,=1/Cf,clk,在/A的正半周，,S,1,斷開、,S,2,閉合，,C,1,上的電荷將轉(zhuǎn)移至,C,2,。,電路的等效時間常數(shù)為t=R,i,C2=C2/C1f,CLK,開關(guān)電容濾波的基本原理,在集成芯片制造時，兩個電容之比可視為兩個電容的面積之比，其誤差可操作在1%以內(nèi)

15、，從而保證了濾波器電參數(shù)的穩(wěn)定性。,f,CLK,可以很容易的改變，相對也比較容易得到等效的較大容量的電容。當(dāng)然，通過操作f,CLK,可以有效的操作濾波器的頻率特性，如f,p,。,當(dāng)f,CLK,由晶振振蕩器提供時，更是保證了濾波器電參數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。由于上述優(yōu)點，加上結(jié)構(gòu)簡便，使用靈活，使其得到愈來愈廣泛的應(yīng)用，本身的開展也很迅速。,謝謝觀看,/,歡送下載,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH,