集成芯片—第3章運(yùn)算放大器

1、第三章 放大器2011年9月內(nèi)容內(nèi)容 一、運(yùn)算放大器基礎(chǔ) 二、高精度運(yùn)算放大器LMP2011 三、低漂移放大電路ICL7650 四、低功耗儀器放大器INA102 五、可編程儀器放大器PGA103 六、隔離放大器ISO100一、運(yùn)算放大器基礎(chǔ)一、運(yùn)算放大器基礎(chǔ) 運(yùn)算放大器基本組成 運(yùn)算放大器符號(hào) 運(yùn)算放大器等效電路和傳輸特性 運(yùn)算放大器主要參數(shù) 放大電路的基本形式 運(yùn)算放大器類(lèi)型輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路運(yùn)算放大器基本組成！高放大倍數(shù)差動(dòng)輸入直流放大器！高放大倍數(shù)差動(dòng)輸入直流放大器運(yùn)算放大器符號(hào)常用符號(hào)常用符號(hào)uid+VCCVEE國(guó)家

2、標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)uouid+VCCVEE8741管腳管腳運(yùn)算放大器等效電路和傳輸特性等效電路等效電路uouidui+u+uoRidAud uidRoi傳輸特性傳輸特性O(shè)uiduoUomaxUomax運(yùn)算放大器主要參數(shù)1) ) 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 U U IOIOu使使 U UO O = 0 = 0，輸入端施加的補(bǔ)償電壓，輸入端施加的補(bǔ)償電壓u一般一般mVmV數(shù)量級(jí)，高精度數(shù)量級(jí)，高精度 V V數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)u溫度漂移溫度漂移數(shù)十?dāng)?shù)十 V/V/度，高精度度，高精度1 1 V/V/度以下度以下u失調(diào)電壓易消除，但溫度漂移不能直接消除，應(yīng)該選失調(diào)電壓易消除，但溫度漂移不能直接消除，應(yīng)該選用低

3、失調(diào)和低溫度漂移的器件和采用斬波穩(wěn)零放大器用低失調(diào)和低溫度漂移的器件和采用斬波穩(wěn)零放大器2) ) 輸入偏置電流輸入偏置電流 I IBuUO = 0 時(shí)時(shí) 21BPBNIB）（III u雙極性晶體管輸入雙極性晶體管輸入10 nA 10 nA 1 1 A A，場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入一般小于，場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入一般小于1 nA1 nAu當(dāng)輸入偏置電流較大或需要高精度直流放大器時(shí)，兩個(gè)輸入端電阻當(dāng)輸入偏置電流較大或需要高精度直流放大器時(shí)，兩個(gè)輸入端電阻要匹配要匹配運(yùn)算放大器主要參數(shù)電阻如何匹配？電阻如何匹配？3) ) 輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流 IIOuUO = 0 時(shí)時(shí)， BPBNIOIII u1 nA 1

4、nA 0.1 0.1 A Au失調(diào)電流易消除，但溫度漂移不能直接消除，應(yīng)該選失調(diào)電流易消除，但溫度漂移不能直接消除，應(yīng)該選用低失調(diào)和低溫度漂移的器件和采用斬波穩(wěn)零放大器用低失調(diào)和低溫度漂移的器件和采用斬波穩(wěn)零放大器運(yùn)算放大器主要參數(shù)AFAAf14) ) 開(kāi)環(huán)電壓增益開(kāi)環(huán)電壓增益 Aud211RRRF100 140 dB運(yùn)算放大器主要參數(shù)5) ) 差模輸入電阻差模輸入電阻 R id輸出電阻輸出電阻 Ro（電阻（電阻+ +電容）電容）雙極型：幾十千歐雙極型：幾十千歐 幾兆歐，場(chǎng)效應(yīng)管：一般大于幾兆歐，場(chǎng)效應(yīng)管：一般大于10001000兆歐兆歐幾十歐幾十歐 幾百歐幾百歐)dB(lg20cdCMRuu

5、AAK 6) ) 共模抑制比共模抑制比 KCMR 80 dB線性區(qū)域線性區(qū)域運(yùn)算放大器主要參數(shù)7) ) 最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓 UIdM當(dāng)當(dāng) UId 過(guò)大時(shí)，反偏的過(guò)大時(shí)，反偏的 PN PN 結(jié)可能因反壓過(guò)大而被擊穿。結(jié)可能因反壓過(guò)大而被擊穿。8) )最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓 UICM9) ) 最大輸出電壓幅度最大輸出電壓幅度 UOPPu特定負(fù)載下，輸出的最大電壓幅度特定負(fù)載下，輸出的最大電壓幅度u軌軌- -軌運(yùn)算放大器軌運(yùn)算放大器UOPP近似為電源電壓近似為電源電壓當(dāng)共模抑制比變壞時(shí)當(dāng)共模抑制比變壞時(shí)運(yùn)算放大器主要參數(shù)10) ) 開(kāi)環(huán)帶寬開(kāi)環(huán)帶寬 SW當(dāng)開(kāi)環(huán)電壓增益下降當(dāng)開(kāi)

6、環(huán)電壓增益下降3dB3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率一般幾十一般幾十KHzKHz11) ) 單位增益帶寬單位增益帶寬 GB當(dāng)閉環(huán)電壓增益為當(dāng)閉環(huán)電壓增益為1 1時(shí)，加入正弦小信號(hào)時(shí)，加入正弦小信號(hào), ,閉環(huán)電壓增益閉環(huán)電壓增益下降到下降到0.707, 對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率12) ) 轉(zhuǎn)換速率電壓擺率轉(zhuǎn)換速率電壓擺率 SR當(dāng)額定負(fù)載下當(dāng)額定負(fù)載下, , 加入階躍大信號(hào)加入階躍大信號(hào), ,輸出電壓最大變化速率輸出電壓最大變化速率運(yùn)算放大器主要參數(shù)13) ) 等效輸入噪聲電壓等效輸入噪聲電壓UN輸出噪聲電壓等效到輸入端輸出噪聲電壓等效到輸入端一般有效值一般有效值10-2010-20

7、 V放大電路的基本形式同相放大器：同相放大器：121RRAf輸入阻抗高、輸出阻抗小輸入阻抗高、輸出阻抗小可用于阻抗變換、隔離可用于阻抗變換、隔離交流放大器交流放大器電壓跟隨器電壓跟隨器放大電路的基本形式反相放大器：反相放大器：12RR-Af高頻放大器？高頻放大器？低頻放大器？低頻放大器？放大電路的基本形式)(12i1i2ovvRRv423RRRR，1差動(dòng)放大器：差動(dòng)放大器：去共模干擾去共模干擾34RRRR12影響共模抑制比主要因素影響共模抑制比主要因素：匹配精度、放大器共模抑制比、開(kāi)環(huán)增益、輸入阻抗等匹配精度、放大器共模抑制比、開(kāi)環(huán)增益、輸入阻抗等放大電路的基本形式uid+VCCVEE運(yùn)算放大

8、器一定存在運(yùn)算放大器一定存在虛短虛短和和虛斷虛斷？虛短虛短虛斷虛斷u+ u 0i+ = i 0放大電路的基本形式？運(yùn)算放大器類(lèi)型低噪聲運(yùn)算放大器精密運(yùn)算放大器高CMRR運(yùn)算放大器高輸入阻抗運(yùn)算放大器高速運(yùn)算放大器寬帶運(yùn)算放大器低功耗運(yùn)算放大器大功率運(yùn)算放大器軌軌運(yùn)算放大器斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器儀用放大器可編程放大器隔離放大器單電源和雙電源單運(yùn)放、雙運(yùn)放和四運(yùn)放主要應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療、汽車(chē)電子 Precision instrumentation amplifiers Thermocouple amplifiers Strain gauge bridge amplifier （High Prec

9、ision, Rail-to-Rail Output Operational Amplifier）二、高精度運(yùn)算放大器二、高精度運(yùn)算放大器LMP2011LMP2011LMP2011- 特點(diǎn)LMP2011- 管腳及工作參數(shù)LMP2011應(yīng)用-熱電阻測(cè)量溫度注意：電源電壓放大倍數(shù)接法各個(gè)放大器作用 LMP2011應(yīng)用-應(yīng)變電橋放大器 放大倍數(shù) (增益調(diào)R3)低失調(diào)和漂移CMRR 大于 108 dB(決定于電阻匹配)注意：電源電壓放大倍數(shù)（作業(yè)）接法各個(gè)放大器作用 電阻選擇美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司-高精度放大器產(chǎn)品三、三、 斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650ICL7650 引言引言 斬波穩(wěn)

10、零運(yùn)算放大器斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650ICL7650原理原理 ICL7650ICL7650特性特性 ICL7650ICL7650典型應(yīng)用典型應(yīng)用引言 在微弱信號(hào)的測(cè)量中，常常需要放大微伏級(jí)的電信號(hào)； 普通的運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，而失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點(diǎn)幾微伏以上； 輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，漂移難以消除； 失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到最小。斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器-ICL7650原理 SUPER CHOPPER- STABILIZED OPERATIONAL AMPLIFIER誤差檢測(cè)和寄存：誤差檢測(cè)和寄存：222222O

11、OsccOUK UK UK U222222ccxaOOscKKUUUUKK校零和放大：校零和放大：2222222222222222()()()OiOscccciOsccOsciUKUUKUK UKKKUUKUKUUKKK U111111212111121212()()oiOsCcOiOsCcOsOsCccccUKUUKUK UKK KUK UKUUUKKUUUUK KCMRR KCMRRICL7650原理說(shuō)明 主放大器：它與一般的運(yùn)算放大器不同之處在于，它有三個(gè)輸入端。除引出芯片外部的同相和反相輸入端外，其在芯片內(nèi)部還有一個(gè)用于校零的同相輸入端。 校零放大器：它也有三個(gè)輸入端，但與主放大器相反

12、，在芯片內(nèi)部的輸入端是反相輸入端。 時(shí)鐘和開(kāi)關(guān)電路：內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，控制各開(kāi)關(guān)按一定的時(shí)序閉合與斷開(kāi)。200Hz 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：它使電路在較寬的頻帶內(nèi)有平坦的響應(yīng)。 箝位電路（CLAMP）：它實(shí)際上是一個(gè)當(dāng)輸出與電源電壓相差接近1V時(shí)動(dòng)作的開(kāi)關(guān)，把CLAMP與運(yùn)放的反相輸入端短接，則其引入的深度負(fù)反饋可使電路在過(guò)載時(shí)的增益大大下降以防止飽和。它可以加速電路在過(guò)載后的恢復(fù)。ICL7650特性管腳典型應(yīng)用兩個(gè)記憶電容CXA和CXB必須使用絕緣電阻很高的優(yōu)質(zhì)電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等容量可以從0.1F至1F中選擇。高精度放大器，往往在輸入電壓為微伏量級(jí)的情況下高增

13、益工作。要保證放大器的精度，負(fù)反饋電阻必須有足夠的精度，且電路的閉環(huán)增益不能太大；提高印制板的質(zhì)量，防止印板表面的漏電流。為此，可在印制板上設(shè)置保護(hù)環(huán)，尤其是14引腳和20引腳的芯片，可以充分利用輸入端周?chē)目漳_，構(gòu)造保護(hù)環(huán)ICL7650-熱電偶測(cè)溫電路E(T,0 )=E(T,t0)+E(t0,0 )冷端補(bǔ)償熱電偶電壓平移放大器零點(diǎn)放大倍數(shù)調(diào)整-273.1533 氦氣的制冷機(jī)可以達(dá)到零下271度273K-0 c四、低功耗儀器放大器四、低功耗儀器放大器INA102INA102低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102-INA102-內(nèi)部電路 低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102-INA

14、102-基本連接低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102-INA102-外部電阻增益調(diào)節(jié)低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102-INA102-電橋放大低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102-INA102-心電前置放大XTR110V TO I介紹 電流電壓？電壓電流？要求？低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102- INA102- V / IXTR110V TO I介紹 改變輸出電流?低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102- INA102- V / I電橋到4MA-20MA轉(zhuǎn)換低功耗儀器放大器低功耗儀器放大器INA102- INA102- V / I五、可編程儀器放大器

15、五、可編程儀器放大器PGA103PGA103n 功能u高共模電壓環(huán)境下的小信號(hào)測(cè)量，對(duì)被測(cè)對(duì)象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離，提高共模抑制比，抗干擾u低漂移u電機(jī)控制u保護(hù)電子儀器設(shè)備u人身安全n 分類(lèi) 按耦合方式不同，分為變壓器耦合、電容耦合和光電耦合u采用變壓器耦合的隔離放大器有： 、 、 u采用電容耦合的隔離放大器有： 、u采用光電耦合的隔離放大器有： 、 、惠普公司 u內(nèi)置變換器： 、 、 、（三端隔離)、 、（三端隔離）、六、隔離放大器六、隔離放大器ISO100ISO100光電隔離放大器 ISO100原理圖small size, low offset and drift, wide bandwidth, ultra low leakage, and low cost,I