运算放大器原理及应用 下载本文

于这类产品。

(2)电流放大型

输入是电流,输出回路等效成由输入电流控制的电流源,LM3900就是这样的产品。 (3)跨导型

输入是电压,输出回路等效成输入电压控制的电流源,LM3080就是这样的产品。 (4)互阻型

输入是电流i1,输出回路等效成输入电流控制的电压源,AD8009 3. 按照性能指标分类

(1)高输入阻抗型

对于这种类型的运放,要求开环差模输入电阻不小于1M?,输入失调电压VOS不大于10mV。实现这些指标的措施主要是,在电路结构上,输入级采用结型或MOS场效应管,这类运放主要用于模拟调解器、采样保持电路、有源滤波器中。国产型号F3030,输入采用MOS管,输入电阻高达1012Ω,输入偏置电流仅为5pA。

(2)低漂移型

这种类型的运放主要用于毫伏级或更低的微弱信号的精密检测、精密模拟计算以及自动控制仪表中。对这类运放的要求是:输入失调电压温漂

dIOS<200pA/?C,Aod?120dB,KCMRR?110dB。实现这些功能的措施通常是,在电路结构上dT除采用超?管和低噪声差动输入外,还采用热匹配设计和低温度系数的精密电阻,或在电路中加入自动控温系统以减小温漂。目前,采用调制型的第四代自动稳零运放,可以获得0.1?V/?C的输入失调电压温漂。国产型号有FC72、F032、XFC78等。国产FC73的主要指

dVdV标为OS=0.5?V/?C,Aod=120dB,VOS=1mV。国产5G7650的VOS=1?V,OS=10nV/?C。

dTdT另外市场上常见的OP07和OP27也属于低漂移型运放。

(3)高速型

对于这类运放,要求转换速率SR>30V/?s,单位增益带宽>10MHz。实现高速的措施主要是,在信号通道中尽量采用NPN管,以提高转换速率;同时加大工作电流,使电路中各种电容上的电压变化加快。高速运放用于快速A/D和D/A转换器、高速采样?保持电路、锁相环精密比较器和视频放大器中。国产型号有F715、F722、F3554等,F715的SR=70V/?s,单位增益带宽为65MHz。国外的?A?207型,SR=500V/?s,单位增益带宽为1GHz。

(4)低功耗型

对于这种类型的运放,要求在电源电压为?15V时,最大功耗不大于6mW;或要求工作在低电源电压时,具有低的静态功耗并保持良好的电气性能。在电路结构上,一般采用外接偏置电阻和用有源负载代替高阻值的电阻。在制造工艺上,尽量选用高电阻率的材料,减少外延层以提高电阻值,尽量减小基区宽度以提高?值。目前国产型号有F253、F012、FC54、XFC75等。其中,F012的电源电压可低到1.5V,Aod=110dB,国外产品的功耗可达到?W级,如ICL7600在电源电压为1.5V时,功耗为10?W。

低功耗的运放一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术设备中。

(5)高压型

为得到高的输出电压或大的输出功率,在电路设计和制作上需要解决三极管的耐压、动态工作范围等问题,在电路结构上常采取以下措施:利用三极管的cb结和横向PNP的耐高压性能;用单管串接的方式来提高耐压;用场效应管作为输入级。目前,国产型号有F1536、F143和BG315。其中,BG315的参数是:电源电压为48?72V,最大输出电压大于40?46V。

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dVOS<2?V/?C,输入失调电流温漂dT国外的D41型,电源电压可达?150V,最大共模输入电压可达?125V。

4. 运算放大器选择与使用中的一些问题

1. 运放的选择

选择运放时尽量选择通用运放,而且是市场上销售最多的品种,只有这样才能降低成本,保证货源。只要满足要求,就不选择特殊运放。

2. 使用集成运放首先要会辨认封装方式,目前常用的封装是双列直插型和扁平型。 3. 学会辨认管脚,不同公司的产品管脚排列是不同的,需要查阅手册,确认各个管脚的功能。

4. 一定清楚运放的电源电压、输入电阻、输出电阻、输出电流等参数。

5. 集成运放单电源使用时,要注意输入端是否需要增加直流偏置,以便能放大正负两个方向的输入信号。

6. 设计集成运放电路时,应该考虑是否增加调零电路、输入保护电路、输出保护电路。

5. 集成运放的电压传输特性

集成运放输出电压vo与输入电压(vP-vN)之间的关系曲线称为电压传输特性。对于采用正负电源供电的集成运放,电压传输特性如图4所示。

从传输特性可以看出,集成运放有两个工作区,线性放大区和饱和区,在线性放大区,曲线的斜率就是放大倍数,在饱和区域,输出电压不是Vo+就是Vo-。由传输特性可知集成运放的放大倍数:

V?VAo?o?o?

vP?vN一般情况下,运放的放大倍数很高,可达几十万、甚至上百万倍。

.vOVO+iP..vPvOOvP-vN.iNvNVO- 图4 集成运放的传输特性

通常,运放的线性工作范围很小,比如,对于开环增益为100dB,电源电压为?10V的F007,开环放大倍数Ad=105,其最大线性工作范围约为

VP?VN=

.Vo10?5?0.1mV Ad10

6. 集成运放的理想化模型

1. 理想运放的技术指标

由于集成运放具有开环差模电压增益高,输入阻抗高,输出阻抗低及共模抑制比高等特点,实际中为了分析方便,常将它的各项指标理想化。理想运放的各项技术指标为: (1)开环差模电压放大倍数Ad??; (2)输入电阻Rid??; (3)输出电阻Ro?0;

(4)共模抑制比KCMRR??; (5)3dB带宽BW??;

(6)输入偏置电流IB1=IB1=0;

(7)失调电压VOS、失调电流IOS及它们的温漂均为零; (8)无干扰和噪声。

由于实际运放的技术指标与理想运放比较接近,因此,在分析电路的工作原理时,用理想运放代替实际运放所带来误差并不严重。在一般的工程计算

Vo 中是允许的。

Vo+ 2. 理想运放的工作特性

理想运放的电压传输特性如图5所示。工作于线性区和非线性区的理想运放具有不同的特性。

O V+?V? (1)线性区

当理想运放工作于线性区时,vo=Ad(VP?VN),而Ad??,Vo? 因此VP?VN=0 VP=VN,又由输入电阻rid??可知,流进运放同相输入端和反相输入端的电流IP、IN为IP=IN=0;可见,当理想图.5 理想运放的电压运放工作于线性区时,同相输入端与反相输入端的电位相等,传输特性 流进同相输入端和反相输入端的电流为0。VP=VN就是VP和VN

两个电位点短路,但是由于没有电流,所以称为虚短路,简称虚短;而IP=IN=0表示流过电流IP、IN的电路断开了,但是实际上没有断开,所以称为虚断路,简称虚断。

(2)非线性区

工作于非线性区的理想运放仍然有输入电阻Rid??,因此IP=IN=0;但由于vo?Ad(VP?VN),不存在VP=VN,由电压传输特性可知其特点为

当VP>VN时,Vo=Vo?;当VP

二、 反馈在集成运放中的应用

实际中使用集成运放组成的电路中,总要引入反馈,以改善放大电路性能,因此掌握反馈的基本概念与判断方法是研究集成运放电路的基础。

6.2.1 反馈的基本概念

1. 什么是电子电路中的反馈

在电子电路中,将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式馈给输入回路,与输入信号一起共同作用于放大器的输入端,称为反馈。反馈放大电路可以画成图6所示的框图。 反馈放大器由基本放大器和反馈网络组成,所谓基本放大器就是保留了反馈网络的负载

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效应的、信号只能从它的输入端传输到输出端的放大器,而反馈网络一般是将输出信号净输入信号XiAx.Xd反馈到输入端、而忽略了从输入端向输出端+基本放大电路输入信号传输效应的阻容网络。由图有基本放大器的Xf净输入信号Xd=Xi-Xf,反馈网络的输出

Fx.Xf=Fx·Xo,基本放大器的输出Xo=Ax·Xd。其中

反馈网络Ax是基本放大器的增益,Fx是反馈网络的反

馈系数,这里X表示电压或是电流,Ax和图6 反馈放大器框图 Fx中的下标X表示它们是如下的一种:

vi Av?o称为电压增益,Ai?o称为电流增益,

iivi...Xo输出信号. Ar? Fv?voi称为互阻增益,Ag?o称为互导增益; iivivfif称为电压反馈系数,Fi?称为电流反馈系数,

iovovfif Fr?称为互阻反馈系数,Fg?称为互导反馈系数;

iovo2. 正反馈与负反馈

若放大器的净输入信号比输入信号小,则为负反馈,反之若放大器的净输入信号比输入信号大,则为正反馈。就是说若XiXd,则为负反馈。

3. 直流反馈与交流反馈

若反馈量只包含直流信号,则称为直流反馈,若反馈量只包含交流信号,就是交流反馈,直流反馈一般用于稳定工作点,而交流反馈用于改善放大器的性能,所以研究交流反馈更有意义,本节重点研究交流反馈。

4. 开环与闭环

从反馈放大电路框图可以看出,放大电路加上反馈后就形成了一个环,若有反馈,则说反馈环闭合了,若无反馈,则说反馈环被打开了。所以常用闭环表示有反馈,开环表示无反馈。

6.2.2 反馈的判断 R2 1. 有无反馈的判断

R1vivi若放大电路中存在将输出vivo回路与输入回路连接的通路,即

vovo反馈通路,并由此影响了放大器

R1的净输入,则表明电路引入了反

b)a)c)馈。

例如,在图7所示的电路中,图7反馈是否存在的判断 图7a所示的电路由于输入与输

出回路之间没有通路,所以没有反馈;图7b所示的电路中,电阻R2将输出信号反馈到输入

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