高性能放大器

1、第一章 高性能(特殊)運算放大器內(nèi)容：一集成運算放大器的主要參數(shù)二動態(tài)校零型斬波放大器三儀器放大器四隔離放大器五儀器放大器和隔離放大器的應(yīng)用引言問題1：放大器的作用？等效模型？主要有哪幾個參數(shù)？問題2：運放的基本結(jié)構(gòu)？多級直接耦合放大電路存在的主要問題？為何采用差分輸入級？放大電路的等效模型：主要有Ri，Ro和Avo三個參數(shù)。還有其它一些參數(shù)如：帶寬等。集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗的多級直接耦合放大電路。它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處。圖1-1是集成運故的內(nèi)部電路組成原理框圖，圖1-2是uA741的內(nèi)部電路圖。(1)圖中輸入級一般是由BJT，JFE

2、T或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比 和 抑制零點漂移，它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。(2)電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級直接耦合放大電路組成。(3)輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。(4)偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助電路，如電平移動電路、過載保護電路以及高頻補償?shù)入娐?。復?運算放大器理想化模型所做的幾點假設(shè)是什么？(1) 開環(huán)電壓放大倍數(shù)無窮大(2) 輸入電阻無窮大(3) 輸出電阻為0(4) 共模抑制比無窮大復習:理想運放在負反饋電路

3、中有哪兩個特點？問題1：反相比例放大器的電路, 放大倍數(shù)，反饋類型和特點，電路特點？問題2：同相比例放大器的電路, 放大倍數(shù)，反饋類型和特點，電路特點？問題3：一個實際使用時的有趣問題：下圖中輸出電壓Vo？理想運放假設(shè)：虛短、虛斷：為了正確地挑選和使用集成運放，必須搞清它的參數(shù)的含義！運放的分類也是根據(jù)參數(shù)的不同劃分的。基本概念：差模信號，共模信號（下面會介紹）。第一節(jié) 集成運算放大器的主要參數(shù)集成運算放大器的應(yīng)用從最初的信號運算發(fā)展到現(xiàn)在幾乎應(yīng)用于電子技術(shù)的各個領(lǐng)域。因此熟練掌握集成運放電路的分析和設(shè)計方法，是在實際工作中靈活應(yīng)用運算放大器的重要基礎(chǔ)。1.1 運算放大器的參數(shù)和型號1.1.1

4、 運算放大器的參數(shù)運算放大器的技術(shù)參數(shù)很多，其中部分指標與差分放大器和功率放大器相同，另一部分指標是根據(jù)運算放大器本身的特點而設(shè)立的。通用型運算放大器的各種參數(shù)均比較適中，特殊運算放大器的某些技術(shù)指標很高，如：高精度，高速，低噪聲和高輸入阻抗等。運算放大器參數(shù)分為兩大類：靜態(tài)(DC)技術(shù)指標運算放大器的靜態(tài)技術(shù)指標包括： (1)輸入失調(diào)電壓VIO一個理想的集成運故，當輸入電壓為零時，輸出電壓也應(yīng)為零(不加調(diào)零裝置)。但實際上它的差分輸入級很難做到完全對稱，通常在輸入電壓為零時，存在一定的輸出電壓。在室溫(25)及標準電源電壓下，輸入電壓為零時，為了使集成運放的輸出電壓為零，在輸入端加的補償電壓

5、叫做失調(diào)電壓Vio。實際上指輸入電壓Vi0時，輸出電壓Vo折合到輸入端的電壓的負值，即VIO-(Vo| Vi=0)Avo。VIO的大小反應(yīng)了運放制造中電路的對稱程度和電位配合情況。VIO值愈大，說明電路的對稱程度愈差，一般約為土(110)mv。通用運放的數(shù)量級在±1mV幾十mV之間，精密(低漂移)運放的VIO在1V幾十V之間。兩種理解：(1)輸出折算到輸入；(2)輸入加補償電壓！(2)輸入偏置電流IIB(IIP，IIN)(對BJT有效，對FET無效)BJT集成運放的兩個輸入端是差分對管的基極，因此兩個輸入端總需要一定的輸入電流IBN和IBP。輸入偏置電流是指集成運放輸出電壓為零時，兩

6、個輸入端靜態(tài)電流的平均值，如圖所示。當Vo0時，偏置電流為輸入偏置電流的大小，在電路外接電阻確定之后，主要取決于運故差分輸入級BJT的性能，當它的值太小時、將引起偏置電流增加。從使用角度來看，偏置電流愈小，由于信號源內(nèi)阻變化引起的輸山電壓變化也愈小，故它是重要的技術(shù)指標。一般為10 nA1A。(3)輸入失調(diào)電流IIO在BJT集成電路運放中，輸入失調(diào)電流IIO是指當輸出電壓為零時流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即由于信號源內(nèi)阻的存在，IIO會引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。所以，希望IIO愈小愈好，它反映了輸入級差分對管的不對稱程度。IIO愈小，輸入級差分對管的對

7、稱程度越好，一般約為±(1nA0.1µA)(IBN和IBP相差1%左右)。一般約為1nA0.1A。注意：輸入失調(diào)電壓VIO和輸入失調(diào)電流IIO對放大造成的誤差可以通過外接調(diào)零裝置來補償。 放大器的溫度漂移是造成誤差的主要來源，而它又是由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度的漂移所引起的。(4)輸入失調(diào)電壓溫漂VIO/T輸入失調(diào)電壓溫漂是指在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量的比值。它是衡量電路溫漂的重要指標，不能用外接調(diào)零裝置的辦法來補償。輸入失調(diào)電壓溫漂越小越好。通用運放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±(1020)mV/之間，精密運放在±0.

8、5mV/左右。(5)輸入失調(diào)電流溫漂IIO/T在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值稱為輸入失調(diào)電流溫漂。輸入失調(diào)電流溫漂是放大電路電流漂移的量度，不能用外接調(diào)零裝置來補償。高質(zhì)量的運放每度變化幾個pA/。差模和共模信號的定義（圖）：加入差分放大器中的信號都可以分解為：差模輸入信號（兩個信號大小相等，相位相反）和共模輸入信號（兩個信號大小相等，相位相同）。 差分信號的傳輸：在RS-485雙絞線通信，網(wǎng)絡(luò)通信（數(shù)字信號傳輸）中也廣泛的應(yīng)用。(6)最大差模輸入電壓Vidmax最大差模輸入電壓Vidmax是指運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓。超過此電壓,運放輸入級對管

9、將進入非線性區(qū)，而使運放的性能顯著惡化，甚至造成損壞。利用平面工藝制成的NPN管約為±5V左右，而橫向BJT可達±30V以上(7)最大共模輸入電壓Vicmax動態(tài)（AC）技術(shù)指標運算放大器的動態(tài)技術(shù)指標包括：(8)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AVO開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AVd是指集成運放工作在線性區(qū)、接入規(guī)定的負載，輸出電壓的變化量與運放輸入端口處的輸入電壓的變化量之比。運放的AVd在60120dB之間。不同功能的運放，AVd相差懸殊。AVO與輸出電壓Vo的大小有關(guān)。通常是在規(guī)定的輸出電壓幅度(如Vo土10v)測得的值。AVO又是頻率的函數(shù)，頻率高于某一數(shù)值后，AVO的數(shù)值開始下降。

10、下圖表示741型運放AVO的頻率響應(yīng)。(9)開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)ACMACM =Vocm /Vicm <<1(10)共模抑制比CMRR(Common-Mode Rejection Ratio)運放共模抑制比CMRR的定義與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，常用分貝數(shù)來表示。不同功能的運放，CMRR也不相同，有的在6070dB之間，有的高達180dB。CMRR越大，對共模干擾抑制能力越強。CMRR=AVd / ACM(11)差模輸入電阻Rd/共模輸入電阻Rc差模輸入電阻Rd是指輸入差模信號時運放的輸入電阻。Rd越大，對信號源的影響越小，運放的Rd一般

11、都在幾百千歐以上。BJT的較小、MOSFET很大！(12)開環(huán)帶寬BW開環(huán)帶寬又稱3dB帶寬，是指運算放大器的差模電壓放大倍數(shù)AVd在高頻段下降3dB所對應(yīng)的頻率fH。(13)單位增益帶寬BWG (fT) 單位增益帶寬BWG是指信號頻率增加，使AVd下降到1時所對應(yīng)的頻率fT，即AVd為0dB時的信號頻率fT。它是集成運放的重要參數(shù)。741型運放的 fT7Hz，是比較低的。(14)轉(zhuǎn)換速率SR (壓擺率) (Slew Rate)轉(zhuǎn)換速率SR 是指放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入大信號（例如階躍信號）時，放大電路輸出電壓對時間的最大變化速率，見下圖。它反映了運放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速

12、率SR的表達式為轉(zhuǎn)換速率SR是在大信號和高頻信號工作時的一項重要指標，目前一般通用型運放壓擺率在110V/µs左右。壓擺率示意圖問題：下面是什么電路？放大倍數(shù)？R2的作用是什么？如何取值？外部電阻匹配問題：問題：下面是什么電路？放大倍數(shù)？如何加匹配電阻和取值？問題：下面是什么電路？放大倍數(shù)？如何加匹配電阻和取值？問題：下面是什么電路？放大倍數(shù)？如何加匹配電阻和取值？1.1.2 運算放大器的符號和型號 (1) 運算放大器的符號 運算放大器的符號中有三個引線端：兩個輸入端和一個輸出端。其中一個輸入端稱為同相輸入端，該端輸入信號與輸出端輸出信號的極性相同，用符號+或IN+表示；另一個輸入端

13、稱為反相輸入端，該端輸入信號與輸出端輸出信號變化的極性相異，用符號-或IN-表示。輸出端一般畫在輸入端的另一側(cè)，在符號邊框內(nèi)標有+號。實際的運算放大器還必須有正、負電源端，還可能有補償端和調(diào)零端。在簡化電路中，電源端、調(diào)零端等都不畫。下面給出國家標準的運算放大器符號：(2) 集成運算放大器的型號命名 數(shù)字序號，一般與同類型的世界上其它廠家的產(chǎn)品序號相同。 運算放大器功率放大器 1.1.3 運算放大器分類 為滿足實際使用中對集成運放性能的特殊要求，除性能指標比較適中的通用型運放外，出現(xiàn)了適應(yīng)不同需要的專用型集成運放。根據(jù)運算放大器的技術(shù)指標可以對其進行分類，主要有：通用型高速型和寬帶型高精度、低

14、漂移型高輸入電阻型低功耗型功率型1.1.3.1 通用型 通用型運算放大器的技術(shù)指標比較適中，價格低廉。通用型運放也經(jīng)過了幾代的演變，早期的通用型運放已很少使用了。以典型的通用型運放CF741(mA741)為例，輸入失調(diào)電壓12mV、輸入失調(diào)電流20nA、差模輸入電阻2MW，開環(huán)增益100dB、共模抑制比90dB、輸出電阻75W、共模輸入電壓范圍±13V、轉(zhuǎn)換速率0.5V/ms。1.1.3.2 高速型和寬帶型 高速型和寬帶型運算放大器一般用于寬頻帶放大器、快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速取樣-保持電路、鎖相環(huán)、精密比較器和視頻放大器中。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較

15、高，轉(zhuǎn)換速率SR30V/S，單位增益帶寬BWG10MHz。用于小信號放大時，比較注重BWG；用于高速大信號放大時，同時還應(yīng)注重SR。 例如：AD9618:小信號帶寬（-3dB）160MHz。1.1.3.3 高精度、低漂移型 高精度、低漂移型運放，一般用于毫伏量級或更微弱信號的精密檢測、精密計算、精密傳感器信號變送器、高精度穩(wěn)壓電源及自動控制儀表中。 1.1.3.4 高輸入阻抗型 目前, 高輸入阻抗型運放廣泛用于生物醫(yī)學電信號測量的精密放大電路、有源濾波器、取樣保持放大器、對數(shù)和反對數(shù)放大器和模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。 這種類型集成運放的差模輸入電阻rid（1091012），輸入偏置電流IIB為幾皮安幾十皮安，故又稱為低輸入偏置電流型運放。例如：1.1.3.5 低功耗型 低功耗型運放一般用于對能源有嚴格限制的遙