运算放大器与有滤波器更新Word格式文档下载.docx
- 文档编号:17501924
- 上传时间:2022-12-06
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:176.24KB
运算放大器与有滤波器更新Word格式文档下载.docx
《运算放大器与有滤波器更新Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《运算放大器与有滤波器更新Word格式文档下载.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
6、输入阻抗:
运算放大器的输入阻抗分为共模输入阻抗和差模输入阻抗。
共模输入阻抗是指运放工作在输入信号时(即运放两输入端输入同一个信号),共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。
在低频情况下,它表现为共模电阻。
差模输入阻抗是指运放工作在线性区时,两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。
差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容,在低频时仅指输入电阻。
在实际看到运放参数仅给出输入电阻(差模输入电阻)参数。
7、输出阻抗:
是指运放工作在线性区时,在运放的输出端加信号电压,这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。
在低频时仅指运放的输出电阻,通常在资料中看到的是运放的输出电阻,它用来表征运放的带载能力。
对于电压型运放来说输出电阻越小带载能力越强,对于电流型运放来说输出电阻越大,带载能力越强。
8、转换速率(SlewRate)SR:
放大器的闭环情况下,输入为最大信号,输出电压对时间比值,用来衡量放大器的响应速度。
9、共模抑制比(CommonModeRejectionRatio),CMRR:
放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比,称为共模抑制比。
用来说明差动放大电路抑制共模信号的能力(抗干扰的能力)
。
差模信号电压放大倍数Aud越大,共模信号电压放大倍数Auc越小,则CMRR越大。
此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强,放大器的性能越好。
当差动放大电路完全对称时,共模信号电压放大倍数Auc=0,则共模抑制比CCMR→∞,这是理想情况,实际上电路完全对称是不存在的,共模抑制比也不可能趋于无穷大,典型值一般不会大于140dB。
电路对称性越差,其共模抑制比就越小,抑制共模信号(抗干扰)的能力也就越差。
10、开环差模电压增益,
:
开环差模电压增益
指在无外加反馈情况下的直流差模增益,它是决定运算精度的重要指标,通常用分贝表示,即,
=
不同功能的运放,
相差悬殊,高质量的运放可达140dB。
11、最大差模输入电压VIdmax:
是指集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。
如果输入电压超过这个电压值,运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿,而使运放的性能显著恶化,甚至可能造成永久损坏,利用平面工艺支撑的NPN管约为
5V左右,而横向的BJT可达
30V以上。
12、单位增益带宽积BWG:
是指下降3dB时所对应的信号频率称为增益带宽积,对于高性能的运放一般在兆级以上。
三、运算放大器的种类
1、按制作工艺分类
按照制造工艺,集成运放分为双极型、COMS型和BiFET型三种,其中双极型运放功能强、种类多,但是功耗大;
CMOS运放输入阻抗高、功耗小,可以在低电源电压下工作;
BiFET是双极型和CMOS型的混合产品,具有双极型和CMOS型运放的优点。
2、按照工作原理分类
(1)电压放大型:
输入是电压,输出回路等效成由输入电压控制的电压源,F007,LM324和MC14573属于这类产品。
(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,例如:
LM3900。
(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,例如:
LM3080。
(4)互阻型:
输入是电流,输出回路等效成输入电流控制的电压源,例如:
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1MΩ,输入失调电压
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。
例如:
F3030。
(2)低漂移型:
对这类运放的要求是:
输入失调电压温漂
<
2μV/︒C,输入失调电流温漂
200pA/︒C,
120dB,KCMRR
110dB。
实现这些功能的措施通常是,在电路结构上除采用超β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。
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。
目前,采用调制型的第四代自动稳零运放,可以获得0.1μV/︒C的输入失调电压温漂。
FC72、F032、XFC78、OP07和OP27。
(3)高速型:
对于这类运放,要求转换速率SR>
30V/μs,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。
F715、F722、F3554等,
(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β值。
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。
F253、F012、FC54、XFC75,ICL7600
(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。
F1536、F143和BG315,D41。
四、几种常用运算放大器参数举例:
参数
型号
输入失调电压
(uV)
输入失调电流
(nA)
输入偏值电流
输入噪声电压
UVp-p
共模抑制比
(dB)
转换速率
(V/uS)
单位增益带宽积
(MHz)
成本
(元)
OP07
60
1.2
2
0.35uVp-p
126
0.3
0.6
2.8
NJM4580
500
5
100
0.8uVrms
110
15
0.66
NJM5532
10
200
8
2.3
从上表可以看出OP07的输入失调电压非常小,因此常用于小信号放大,主要用在话筒开关导唱检测。
在音频运放NJM4580和NJM5532,可以看出NJM5532应用于对音频要求比较高的场合,大多数应用在KTV的机顶盒中,对于其他机顶盒中音频运放使用NJM4580即可。
视频运放:
AD8091(单通道视频运放)的基本参数:
参数
(mV)
(uA)
转换速率V/us
共模抑制比(dB)
差分增益误差
(%)
差分相位误差(度)
0.1dB平坦增益带宽(Hz)
AD8091
1.7
1.4
170
88
0.03
>
10M
1.81
从上图可以看出视频运放要求高转换速率,在0-6MHz带宽内增益是平坦的,且相移要小。
五、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。
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。
(2)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Xi<
Xd,则为正反馈,若Xi>
Xd,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,
2、反馈的判断
反馈极性的判断,就是判断是正反馈还是负反馈。
判断反馈极性的方法是瞬时极性法:
其方法是,首先规定输入信号在某一时刻的极性,然后逐级判断电路中各个相关点的电流流向与电位的极性,从而得到输出信号的极性;
根据输出信号的极性判断出反馈信号的极性;
若反馈信号使净输入信号增加,就是正反馈,若反馈信号使净输入信号减小,就是负反馈。
例如,在图1-2a所示的电路中首先设输入电压瞬时极性为正,所以集成运放的输出为正,产生电流流过R2和R1,在R1上产生上正下负的反馈电压Vf,由于Vd=Vi-Vf,Vf与Vi同极性,所以Vd<
Vi,净输入减小,说明该电路引入负反馈。
在图1-2b所示的电路中首先设输入电压Vi瞬时极性为正,所以集成运放的输出为负,产生电流流过R2和R1,在R1上产生上负下正的反馈电压Vf,由于Vd=Vi-Vf,Vf与Vi极性相反,所以Vd>
Vi,净输入减小,说明该电路引入正反馈。
在图1-2c所示的电路中首先假设ii的瞬时方向是流入放大器的反相输入端Vn,相当于在放大器反相输入端加入了正极性的信号,所以放大器输出为负,放大器输出的负极性电压使流过R2的电流if的方向是从Vn节点流出,由于ii=id+if,有id=ii-if,所以ii>
id,就是说净输入电流比输入电流小,所以电路引入负反馈
图1-2几种反馈形式电路图
3、负反馈电路的作用:
负反馈对放大电路的性能影响很大,除可以改变放大器的输入、输出电阻外,还可以稳定放大倍数、展宽频带、减小非线性失真。
特别是当反馈深度很大时,改善的效果更加明显,但是事情都是一分为二的,反馈深度很大时,容易引起放大电路的不稳定,产生自激振荡。
4、四种常见的反馈电路类型:
(1)电压串联负反馈
(2)电流并联负反馈
(3)电压并联负反馈
(4)电流串联负反馈
六、几种常见信号放大电路:
分析方式:
虚短、虚断
1、反相输入比例运算:
电路如图1-4所示,
利用“虚断”概念,由图得
利用“虚地”概念
导出
虽然集成运放有很高的输入电阻,但是并联反馈降低了输入电阻,这时的输入电阻为Ri=R1。
2.同相比例运算电路
图1-5同相比例运算电路
同相比例运算电路见图1-5a,利用“虚断”的概念有
利用“虚短”的概念有
则输出电压为:
由于是串联反馈电路,所以输入电阻很大,理想情况下Ri=∞。
由于信号加在同相输入端,而反相端和同相端电位一样,所以输入信号对于运放是共模信号,这就要求运放有好的共模抑制能力。
若将反馈电阻Rf和R1电阻去掉,就成为图1-5b所示的电路,该电路的输出全部反馈到输入端,是电压串联负反馈。
有R1=∞、Rf=0可知vo=vi,就是输出电压跟随输入电压的变化,即电压跟随器。
3.加法运算电路
反相加法电路由图1-6所示。
由图可知
其中
所以有
若R1=R2=R3=Rf=R则有
图1-6加法电路
该电路的特点是便于调节。
图1-7减法电路
4.减法运算电路
利用差动放大电路实现减法运算的电路如图1-7所示。
由图有
由于vN=vP,所以
当R1=R2=R3=Rf时
5、三种放大电路优缺点比较:
(1)同相放大器:
同相放大器具有高输入阻抗特点,但由于阻抗高,易受杂散电磁场的影响而精度不足。
所以,同相放大器常用于前置放大器,偶尔用于电路中作为阻抗变换或隔离级,常用电压跟随器中。
(2)反相放大器:
反相放大器优点是性能稳定,缺点是输入阻抗比较低,但一般能够满足大多数场合的要求,因此在电路中应用较多。
(3)差动放大器:
差动放大器输入阻抗较低,但可用其构成仪用放大器,而具有高共模抑制比,高输入阻抗和可变增益等一系列优点。
七、有源滤波器
有源滤波通常是由RC网络和运算放大器组成。
其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
主要分为低通、高通、带通和带阻等四种形式,下面论述或举例均以低通滤波器为例。
1、两种常用的滤波器的拓扑结构介绍:
(1)Sallen-Key电路结构:
图1-8a二阶增益K=1的S-K电路图图1-8b二阶增益K=1+R4/R3电路图
图1-8a和图1-8b分别是增益为1和1+R4/R3的二阶Sallen-Key的电路结构形式,电路的截至频率
和Q值如下:
要求在使用过程中要确保增益K<
否则会引起自激振荡,导致系统工作不正常。
(2)MFB(无限增益多路反馈)电路结构:
图1-9二阶MFB电路图
电路特性如下:
增益:
K=
截至频率:
Q值:
(3)优缺点:
1)、在单位增益系统中,S-K滤波器具有很高精度,运放充当缓冲器输出,而MFB滤波器通过R2/R1来确定增益,因此精度比较差。
2)、在单位增益系统中,S-K滤波器比MFB所需要的器件少。
3)、如果增益比较大,S-K滤波器会容易出现振荡,而MFB滤波器不会出现振荡,具有较高的稳定性。
(4)两种电路结构建议使用范围:
1)、MFB有源滤波器适用于对元件敏感较小的系统中。
2)、Sallen-Key有源滤波器适用对于增益精度要求比较高、或者是单位增益、或者是Q值较低(例如Q<
3)的系统中。
2、三种常用的滤波器特点:
(1)巴特沃思有源滤波器:
巴特沃思滤波器特性是单调的,且在同频带内比较平坦,对于高阶巴特沃思滤波器的幅频特性仍然是单调的,且在通频带内更为平坦。
一般表达式为:
下图给出2阶、5阶、7阶的巴特沃斯滤波器幅频特性示意图:
(2)切比雪夫有源滤波器:
切比雪夫在通带或者阻带上频率响应响应幅度有起伏,在
且接近
时下降较陡。
他的幅频特性一般可表示为:
下图给出3阶和4阶的切比雪夫幅频特性示意图:
(3)贝塞尔有源滤波器:
贝塞尔滤波器的特点是相频特性在一段频率范围内线性度好,且相移比巴特沃思或切比雪夫的相移小,同时其阶跃响应没有过程现象,因此常用于音频DAC输出端的平滑滤波器,或音频ADC输入端的抗混叠滤波器方面,是一种出色的选择。
2、三种滤波器比较总结:
巴特沃思滤波器:
优点:
在通频带内提供一个平坦的幅频特性,而且在通频带内性能很好,他的脉冲响应比切比雪夫好,衰减率比贝塞尔好。
缺点:
对于阶跃响应存在过冲和振铃。
切比雪夫:
优点:
在通频带之外衰减比巴特沃思要快。
缺点:
在通频带之内有波动,在阶跃响应存在可接受的振铃信号。
贝塞尔:
阶跃响应好:
非常小的过冲和振铃。
通频带之外衰减率比较慢。
3、几款常用的滤波器辅助设计软件:
(1)FilterLab:
Microchip公司出品,只提供幅频和相频特性曲线,可以利用向导进行设计,也可以根据自己实际要求手动设置各种值,对于各种参数有一定的限制,比较适合低频滤波器的设计,但应该可以满足大多数的应用了。
(2)FilterCAD:
Linear公司出品,在集成滤波器设计中应用非常广的软件,提供设计向导,方便快速设计集成滤波器,具有相频、幅频和群延迟曲线,频率轴可选择线性和对数两种模式,比较适用开关电容滤波器的设计。
(3)FilterPro:
TI公司出品,操作简单,直观明了,也是一款不错滤波器设计软件。
(4)FilterSolutions:
Nuhertz公司出品,据了解功能非常齐全,需要付费使用。
(5)FilterWizPro:
Schematica公司出品,据了解非常好用,需要付费注册使用,如果不注册,电阻和电容的值非常有限。
4、有源滤波电路设计流程:
在滤波器的电路设计过程,推荐使用辅助软件进行滤波器的设计,优点:
简单,直观,高效,修改方便。
下面结合FilterLab软件为例介绍有源滤波器的设计过程:
(1)根据实际的需要提出和明确技术指标。
(2)单击【Filter】菜单下【design】选项,进入滤波器设计。
(3)选择滤波器的模型和类型:
选择【FilterSpecification】标签提供以下设计:
Approximation页面下选择滤波器的形式:
Butterworth,Bessel,Chebychev。
在Selectivity页面下选择滤波器的类型:
Lowpass,Highpass,Bandpass。
在OverallFilter框中输入所需要增益,但最大增益只允许10V/V。
如果在Approximation下选择使用Bessel滤波器,只提供Lowpass模型。
(4)设置滤波器的参数:
选择【FilterParameters】标签下进行电路参数的设置。
如果选择ForceFilterOrder,只能进行阶数(0-8阶)、通频带的衰减(范围0.01dB~3dB)、和通频带的带宽(范围0~1MHz)进行设计。
如果没有选择ForceFilterOrder,可以进行阶数(0-8阶)、通频带的衰减(0.01~3dB)、通频带的带宽(0~1MHz)、截至频率(0~1MHz)、截至频段的衰减(-10~-100dB)等设计。
如果选择的是Bessel滤波器,只提供ForceFilterOrder形式。
(5)选择电路的元件值和电路的拓扑结构。
选择【Circuit】标签,Topolopy下拉框中可以选择的电路的结构形式:
Sallen-Key还是MFB形式。
单击电路上面的电容值,可以在Capacitor下拉框中选择电容的值。
根据电容的值,系统自动的修改电阻值。
(6)通过View菜单中FilterView选项可以查看电路的特征曲线和电路实现形式。
(7)搭建实际电路验证。
当然也可以通过FilterLab设计向导进行滤波器的设计,该方法更简单,不推荐使用。
其他的滤波器设计软件功能上与FilterLab的类似,不做详细的论述。
5、有源滤波器设计注意事项:
(1)电阻的选择:
1)、电阻范围最好选在几百欧到几K欧。
2)、选择精密电阻。
3)、最好使用低温度系数的金属薄膜电阻。
(2)电容选择:
对于一个高性能的滤波器来说电容的选择是很重要的,电容的特性使得在高频能够产生寄生电阻和电感,从而限制了Q值,同时由于电容与电压的非线性关系,也会产生失真。
由于普通的瓷介电容具有很高的电介常数,例如高K值,会引起滤波电路的误差,推荐使用以下类型的电容:
NPO瓷介电容,Silvermica(银云母)电容,metallizedpolycarbonate(金属化聚碳酸薄膜)电容。
如果温度要求达到85度以上,建议采用polypropylene(聚丙烯)电容和polystyrene(聚苯乙烯)电容。
(3)运算放大器选择:
运放选择影响滤波器的直流精度,噪声,失真和反应速度等。
因此在滤波电路中的时候需要考虑以下几个参数:
1)、增益带宽积(GBP):
对于不同的滤波器,运放带宽积需要满足以下几点:
对于MFB滤波器:
GBP
;
为滤波器RC网络特征频率。
对于Sallen-Key滤波器:
当
时,GBP
;
当Q
时,GBP
2)、转换速率:
转换速率要求大于
Vop-p指输出信号的峰峰值,BW为滤波器的通频带带宽。
3)、全电压带宽:
必须保证信号的最大值能够通过,即信号的经过滤波器之后不能出现消波现象。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 运算放大器 滤波器 更新