运算放大器及其基本应用,运算放大器是一种高增益多级直接耦合放大器,1 运算放大器的基本特性,输入偏置电流I,IB,:表示了运放输入端正常工作时需提供的偏置电流，它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻I,IB,愈小，输入电阻愈大，芯片的温漂和运算精度愈高理想运放为0输入失调电压V,IO,:反映了运放芯片本身输入级差分对管的对称程度，所以当VI=0时，VO0为了使输出为0，等效在输入端施加的补偿电压（失调补偿调零电位器不起作用时）即为V,IO,愈小愈好，理想运放V,IO,=0输入失调电流I,IO,:当运放的输出电压为零时，将两输入端偏置电流的差称为输入失调电流I,IO,=I,P,-I,N,运算放大器的基本特性,开环增益:直接影响运算精度和许多特性指标，,A,o愈大愈好理想运算放大器,A,o为无穷大差模输入电阻,r,id,:指的是输入端参加差模信号时，运放芯片的输入呈现的电阻r,id,愈大，意味着从信号源（或前级电路）提取的电能愈小，对信号源影响愈小也就是,r,id,对信号源而言，就相当于它的负载理想运放的,r,id,为无穷大理想运放输出电阻ro理想闭环电路ro=0，ro表征器件对负载的驱动能力。
带宽BW，又称单位增益带宽或增益带宽积指的是当运放的闭环增益为1（即0dB）时的带宽一般增益与带宽的乘积为一常数，故闭环增益愈高，实际运放电路的带宽愈小运放的BW主要由芯片内部的器件与电路决定理想运放的BW 为无穷大供电电源:单极性，双极性理想运放供电不受限制功耗P,C,：理想运放为零,共模抑制比CMRR：反响了芯片对共模信号的抑制能力,输入噪声V,n,：,每个运放都有内部寄生噪声，运放的噪声是通过在输出端测量然后换算到输入端的,.,噪声是一个随机交流信号，包含全频率段的频率成分，而且它是运放固有的，无法通过在输入端加上相反的电压来消除为了减小模拟电路的噪声，我们通常能做的有：1）选择噪声较小的运放2）想方法减小模拟地的噪声3）使用高PSRR的线性电源管理芯片单独为模拟电路供电，以减小电源上的噪声4）对信号进行滤波5）尽量使用10K以下阻值的电阻，因为电阻会引入热噪声，引入的热噪声大小与电阻值成正比电压噪声频谱密度,是指每平方根赫兹的有效(RMS)噪声电压（通常单位为nV/）,电源抑制比PSRR：,输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值，常用分贝表示,转换速率（摆动率）SR：,运放在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能到达的最大变化率，单位：V/uS,调零消除失调误差,运放调零的基本原理：在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，到达调零的目的。
有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可没有调零端的，可采用同相调零或者反相调零的方法运算放大器的基本特性,2运算放大器的一个重要特性三“虚”,虚断,虚地,虚短,1 基本放大电路,放大倍数:,输入电阻:,输出电阻:,R,i,=R,1,R,o,=0,R,i,=r,ic,R,o,=0,R,ic:,运放同相端对地共模输入电阻，一般为10,8,欧平衡电阻:,R,P,=R,1,/R,F,2 差分输入放大电路,输入输出关系:,如何实现,U,o,=(U,i2,-U,i1,)K,?,R,1,=R,3,R,2,=R,4,2 差分输入放大电路,输入输出关系:,U,i1,U,i2,输入电阻无穷大,便携式电子产品中应用,2 差分输入放大电路,输入输出关系:,R,1,=R,2,输入电阻无穷大,完成双极性到单极性放大.常用于仪表放大电路,3 精密整流放大电路,U,i,大于零时,二极管导通情况:,D,2,导通,D,1,截止,U,i,小于零时,二极管导通情况:,D,1,导通,D,2,截止,如果:,4 微分电路,反响电流设置在0.10.5mA,缺点:信号频率增加时,电容容抗减小,放大倍数增加.对高频噪声敏感.,有用微分电路,RC,1,=R,f,C,5积分电路,C,f,小于1uF,缺点:低频时,电容容抗很大,放大倍数增加.,有用积分电路,R10R,1,6 比较器,7 窗比较器,8 RC正弦波振荡器,文氏电桥,振荡频率,起振条件,稳定条件,8 RC正弦波振荡器,双T正弦波振荡器,振荡频率,振荡频率,起振条件,9 方波信号发生器,10 阶梯波发生器,一个方波周期内,阶梯波周期,11 自举式交流电压放大器,放大倍数:,输入电阻:,耦合电容:,R,i,=R,1,12 单电源供电的交流电压放大器,13 方波三角波产生电路,a断开时,，,U,+,=U,-,=0,假设U,O1,=V,CC,得：,同理，U,O1,=-V,CC,时，可得,13 方波三角波产生电路,U,O1,=V,CC,时,13 方波三角波产生电路,三角波周期,三角波频率,三角波幅度,14 方波锯齿波产生电路,锯齿波周期,锯齿波频率,锯齿波幅度,14 三角波正弦波变换,15 滤波器设计,滤波器幅频特性,15 滤波器设计,三种类型的有源低通滤波器,滤波器的品质因数Q，也称为滤波器的截止特性系数，其值决定于f=f,0,附近的频率特性。
巴特沃斯：Q=0.707,幅频特性无峰值，在f=f,0,附近处的特性曲线单调减,切比雪夫：Q=1,f=f,0,附近的截止特性最好，曲线衰减最陡但通带有幅频特性有峰值,贝塞尔：Q=0.56,过渡特性最好，相频特性无峰值,二阶RC滤波器传输函数,类型,传输函数,性能参数,低通,高通,带通,带阻,AV电压增益,c,上下通滤波器截止频率,0,带通、带阻滤波器中心频率,Q,品质因数,或,当,BW带通带阻滤波器带宽,常用电路类型,VCVS:运放为同相输入，输入电阻很高，输出电阻很低，滤波器相当于一个电压源优点为电路性能稳定，增益易调节MFB:运放为反相输入，输出端通过C1R2形成两条反响支路，故称无限增益多路反响电路优点是电路有倒相作用，使用元器件较少，但增益调节对其性能参数会有影响，故应用范围比VCVS电路少二阶有源低通滤波器设计,C3:抑制尖峰脉冲，通常2251pF,二阶有源低通滤波器设计,方法一：令A,V,=1,R,1,=R,2,=R,R,3,为无穷大,由于通频带增益A,V,=1,因而工作稳定，故适用于高Q值电路,二阶有源低通滤波器设计,方法二：令R,1,=R,2,=R,C,1,=C,2,=C,品质因数Q值按照近似特性，有如下分类：,Q0.707,巴特沃斯特性,Q0.58，贝塞尔特性,Q0.96 切比雪夫特性,二阶有源高通滤波器设计,二阶有源高通滤波器设计,方法一：令A,V,=1,C,1,=C,2,=C,方法二：令C,1,=C,2,=C，R,1,=R,2,=R,二阶有源带通滤波器设计,RCR,3,C,1,才能形成通带,改变R,F,和R,1,的比例，可改变带宽和通带增益而中心频率不变。
A,uf,=1+R,F,/R,1,二阶有源带阻滤波器设计,由低通和高通无源RC网络并联成双T网络，在与运放和电阻组成二价带阻滤波器,改变R,F,和R,1,的比例，可改变带宽和通带增益而中心频率不变A,uf,=1+R,F,/R,1,RC有源滤波器快速设计,设计步骤,1.根据截止频率f,c,，选定一个电容C 的标称值，使其满足K=100/(f,c,C)，C的单位为uFK值不能太大，否则会使电阻的取值较大，从而使引入的误差增加，通常取大于等于1，小于等于102.查表，得出与Av对应的电容值及K=1时的电阻值，再将这些电阻值乘以参数K，得出电阻的设计值3.实验调整并修改电容电阻值，测量滤波器的性能参数,设计举例,设计一个二阶压控电压源低通滤波器，要求截止频率f,c,=2KHz，增益Av=2,1、取C=0.01uF,K=100/(fcC)=100/(2000*0.01)=5,2、查表：Av2时，C,1,=C=0.01uF,K=1时，R,1,=1.126K,R,2,=2.250K,R,3,=6.752K,R,4,=6.752K,3、将上述电阻值乘以参数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滤波器辅助设计工具,FilterLab2.0是 Microchip公司推出的一款创新的滤波器免费下载软件。
使用该软件防止了传统滤波器设计的繁琐计算使设计大大简化该软件所设计的滤波器具有：,（1）巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有LPF一类滤波器2）阶数183）增益1104）LPF、BPF、HPF三种类型5）有塞林凯和多重反响二种电路形式6）通带截止频率（Passband frequency）：0.1Hz1MHz7）品质因素Q：0.55.0,（8）阻带衰减（Stopband Attenuation）：10dB100dB,3.3.3 开关电容滤波器,1开关电容滤波的基本原理,图3.3.13（a）的简单一阶LBP/滤波器，通带截止频率fp=1/2，=RC与其特性相同的开关电容滤波器由,MOS,模拟开关，集成电容和运放OA组成，如图（b）所示模拟开关S,1,、S,2,，电容C,1,模拟等效的电阻,R,其阻值受模拟开关切换频率（时钟频率）,f,CLK,和,C,1,操作图（b）中驱动两只模拟开关的时钟信号分别为A和/A，两者反相C,2,为积分电容开关电容滤波的基本原理,在A的正半周，,S,1,闭合、,S,2,断开，电容,C,1,被充电到，在（=1/,f,CLK,）期间所积累的电荷Q=VixC1；,平均输入电流i,i,=V,i,xC1/T,c,。
其等效模拟电阻为,R,i,=V,i,/i,i,=1/Cf,clk,在/A的正半周，,S,1,断开、,S,2,闭合，,C,1,上的电荷将转移至,C,2,电路的等效时间常数为t=R,i,C2=C2/C1f,CLK,开关电容滤波的基本原理,在集成芯片制造时，两个电容之比可视为两个电容的面积之比，其误差可操作在1%以内，从而保证了滤波器电参数的稳定性f,CLK,可以很容易的改变，相对也比较容易得到等效的较大容量的电容当然，通过操作f,CLK,可以有效的操作滤波器的频率特性，如f,p,当f,CLK,由晶振振荡器提供时，更是保证了滤波器电参数的稳定性和准确性由于上述优点，加上结构简便，使用灵活，使其得到愈来愈广泛的应用，本身的开展也很迅速谢谢观看,/,欢送下载,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,。
