运算放大器与有滤波器更新.docx
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运算放大器与有滤波器更新
运算放大器与有滤波器(更新)
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运算放大器与有源滤波器
一、运算放大器的基本结构
图1-1运算放大器基本结构
1、差动式输入级:
提高共模信号抑制能力,经常采用采用双输入双输出形式。
2、电压放大级:
提供高的电压增益,以保证运放的运算精度。
3、输出级:
提高输出功率。
通常由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成,以获得正负两个极性的输出电压或电流。
二、运算放大器的性能指标:
1、输入偏置电流(InputBiasCurrent),IIB:
是指当输出电压为0时,差动放大级的两输入静态电流的平均值,也就是指差动放大电路中三级管的基极工作电流,正常情况下运放的输入偏值电流在10nA~1uA之间,通常是由输入电阻和反馈电阻提供,从而限制了运放的输入电阻和反馈电阻的阻值,因此在实际中不能将运放的反馈电阻选择的过大,一般选择K
级。
如果要达到pA级,通常前级放大器使用电压型控制器件(FET),这样就可以使用大的输入电阻和反馈电阻。
2、输入失调电流(InputOffsetCurrent),IIO:
是指当输出电压为0时,两个输入端的静态基极电流之差,反映输入级差分对管不对称程度,一般为1nA~0.1uA,在实际应用中一般要求IIO越小越好。
3、输入失调电压(InputOffsetVoltage),VIO:
在室温以及标准电源电压下,输入电压为0时,为了使输出电压也为0,需要在输入段施加的补偿电压,该电压就是输入失调电压,用来表征放大器内部的对称性。
在实际中,对高放大倍数的运算放大器进行偏置补偿是十分困难的,原因一:
微小的错误调节也会导致过补偿或者欠补偿,导致差动信号进一步被放大;原因二:
偏置电压对温度的依赖性比较大,即我们经常说的输入失调电压温漂。
4、输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)αVIO:
是指在给定的温度范围内,输入失调电压的变化与温度变化的比值。
该参数实际是输入失调电压的补充,便于计算在给定的工作范围内,放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间,精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃
5、输入失调电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂):
是指在给定的温度范围内,输入失调电流的变化与温度变化的比值。
该参数实际是输入失调电流的补充,便于计算在给定的工作范围内,放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出,而且是在用于直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。
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。
例如:
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。
例如:
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。
例如:
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。
例如:
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
(nA)
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
5
15
0.66
NJM5532
500
10
200
100
8
10
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
输入失调电压
(mV)
输入失调电流
(nA)
输入偏值电流
(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)
成本
(元)
AD8091
1.7
100
1.4
170
88
0.03
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
(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 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: 优点: 阶跃响应好: 非常小的过冲和振铃。 缺点: 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。
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