运算放大器与有滤波器更新Word格式文档下载.docx
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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。
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