第5章1 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)

第一部分模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐隨著電子技術(shù)的發(fā)展

綜合電子系統(tǒng)中模擬子系統(tǒng)比重下降

模擬子系統(tǒng)具有關(guān)鍵的作用

模擬子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性模擬子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

如何性能優(yōu)良的集成電路連接成系統(tǒng)，滿足設(shè)計(jì) 要求第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.1運(yùn)算放大器的模型（4）上限截止頻率fH=∞；1.理想運(yùn)算放大器模型第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)（5）共模擬制比KCMR=∞；（6）失調(diào)漂移、內(nèi)部噪聲均為0。Dv（1）開環(huán)電壓增益AVO＝∞；（2）輸入電阻ri=∞；vN（3）輸出電阻r=0；

vPvO對(duì)于理想運(yùn)算放大器的前三條特性，通用運(yùn)放一般可以近似滿足，后三條特性一般通用放大器不易達(dá)到，但對(duì)某些功能電路非常重要，實(shí)際使用時(shí)，可選用專用運(yùn)算放大器來近似滿足。如可選用帶寬運(yùn)算放大器獲得一定的頻帶寬度，選用精密運(yùn)放使失調(diào)漂移、內(nèi)部噪聲趨于0.第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)（1）差分輸入電阻ri；v--（2）電壓增益AVO；v（3）輸出電阻rO；+2.實(shí)際運(yùn)算放大器模型第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)

N

vDri

+

P（4）差分輸入電壓vD=vP-vN。+-rovOAVOvD741運(yùn)算放大器的ri=2MΩ，AVO=200V/mV，ro=75Ω。1.2用集成運(yùn)放構(gòu)成的基本放大電路

1.比例運(yùn)算放大電路第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)閉環(huán)電壓放大倍速數(shù)：K=vo/vi=-R2/R1K=vo/vi=1+R2/R1反相放大器同相放大器：輸入電阻大當(dāng)R2=0,R1=∞時(shí)，K=1為電壓跟隨器。2.加法電路第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)2.加法電路

TLC7524或DAC0832

VREF

Rfb

IOUT1

IOUT2當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出為正弦信號(hào)時(shí)，輸入、輸出對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線：第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)3.基本差分放大電路第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)voV+R1R2RTWV+V+R1R2vovo

應(yīng)變片傳感器電橋測量電路輸出信號(hào)的特點(diǎn)是較小（微伏級(jí)到毫伏級(jí)）的差模信號(hào)而有較大（幾伏）的共模信號(hào)。3.基本差分放大電路3.基本差分放大電路第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)R1vov1v2Rf-+AR2

RF

抑制共模輸入信號(hào)當(dāng)Rf/R1=RF/R2時(shí)，vo=-(Rf/R1)*(v2-v1)共模抑制比CMRR＝差模信號(hào)放大倍數(shù)/共模信號(hào)放大倍數(shù)，是差分放大器的重要指標(biāo)?；静罘蛛娐返?章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)在實(shí)際使用中，差分放大電路的電阻參數(shù)很難完全匹配，導(dǎo)致共模抑制能力下降，這時(shí)可采用專用差分放大器。4.儀表放大器

基本差分電路雖然可以達(dá)到放大差模信號(hào)，抑制 共模信號(hào)的目的，但存在輸入電阻較低、增益調(diào) 節(jié)不便的缺點(diǎn)。第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)4.儀表放大器（如AD620,INA128,INA333）

抑制共模分量是使用儀表放大器的唯一原因Vo=(1+2*R2/R1)(v2-v1)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.3集成運(yùn)放的主要參數(shù)

輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流

輸入失調(diào)電壓

轉(zhuǎn)換速率SR

增益帶寬積GBW

共模抑制比CMRR

最大差模輸入電壓和最大共模輸入電壓第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)消去輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流的方法：1）、消去輸入偏置電流的方法：令RP=R1//R2

注：在最新工藝的一些器件中，內(nèi)部已有IB補(bǔ)償電路，因此沒必要用到RP。2）、減少輸入失調(diào)電流的方法：通過減小R1、R2的阻值（但這樣會(huì)增加功耗，減小輸入阻抗），或者選擇低IOS的運(yùn)放。第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)2.輸入輸入失調(diào)電壓第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)2.輸入輸入失調(diào)電壓減少輸入失調(diào)電壓的方法：第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)3.開環(huán)帶寬BW(或-3dB帶寬)和單位增益帶寬GBW（或GBP）第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)3.開環(huán)帶寬BW(或-3dB帶寬)和單位增益帶寬GBW（或GBP）(閉環(huán))設(shè)計(jì)時(shí)GBW應(yīng)留有足夠的裕量，一般地，GBW設(shè)計(jì)=(10~100)*GBW手冊(cè)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)4.轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率又稱壓擺率，是運(yùn)放在額定負(fù)載及輸入階躍 大信號(hào)時(shí)輸出電壓的最大變化率，即SRVo

t第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)4.轉(zhuǎn)換速率

當(dāng)放大器輸出大振幅的高頻信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換速率對(duì) 實(shí)際的帶寬起到主要的約束。

fp（max）=SR/（2πVo（max））式中，fp（max）稱為全功率帶寬（運(yùn)放滿程量輸出時(shí)能達(dá)到的最大帶寬）

Vo（max）指的是輸出的最大電壓峰峰值。SR=2πVo（max）*fp（max）設(shè)計(jì)時(shí)SR應(yīng)留有足夠的裕量，一般地，SR設(shè)計(jì)=(10~100)*SR手冊(cè)第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)0tvI4.轉(zhuǎn)換速率

OPA552的單位增益帶寬GBW為12MHz，SR為

24V/μS，用其構(gòu)成放大倍數(shù)為5的反相放大器， 其小信號(hào)帶寬為12MHz/5=2.4MH。

當(dāng)輸出信號(hào)的峰-峰值為10V時(shí)，其

fp（max）=SR/（2πVo（max））=764（kHz）

V

vo第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)5.供電電壓

軌對(duì)軌（RailtoRail）：是指輸出達(dá)到或接近電源電壓。非軌對(duì)軌：是指輸出與電源電壓間還有一定差值。

LM324MAX4016第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)6.閉環(huán)輸入/輸出阻抗

閉環(huán)輸入阻抗

反相放大器∵vo=-(R2/R1)vi∴ii=(vi-vo)/(R1+R2)=(vi+(R2/R1)vi)/(R1+R2)=vi/R1∴ri=vi/Ii=vi/(vi/R1)=R1同相放大器∵ip=0∴ri=vi/ip=∞ip結(jié)論：同相放大器輸入電阻很大。注：要使某運(yùn)放的輸入電阻為50Ω，若是采用反相輸入，則令上圖中的R1=50Ω即可；若是采用同相輸入則在運(yùn)放的+端與地間接50Ω電阻即可。第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)6.閉環(huán)輸入/輸出阻抗

閉環(huán)輸出阻抗

R1R2V+i∵V-=(R1//ri)/(R1//ri+R2)VAVO=-R2/R1i=(V-V-)/R2+(V-AVOV-)/r0∴RO=V/i=r0/(1+(AVO+r0/R1+r0/ri)/(1+R2/R1+R2/ri))V-結(jié)論：閉環(huán)輸出電阻R0比開環(huán)輸出電阻r0小。注：若要使某運(yùn)放的輸出負(fù)載為50Ω，則在該運(yùn)放的輸出端串上50Ω電阻即可。1.4集成運(yùn)放的分類及選擇

第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)按工藝分類：1、雙極型（Bipolar）：低失調(diào)電壓、低溫度漂移、高開環(huán)增益、高CMRR。2、JFET型：低IB，高輸入阻抗。3、CMOS型：低電壓、低功耗、軌對(duì)軌、低成本、體積小。按運(yùn)放參數(shù)分類：1、通用型運(yùn)放（指標(biāo)適中、價(jià)格低、適用面廣）：LM741、LM358、LM3242、高阻型運(yùn)放3、精密運(yùn)放4、高速運(yùn)放5、高電壓、高電流運(yùn)放1、通用型運(yùn)放2、高阻型運(yùn)放TL082：雙電源供電±18V。符號(hào)參數(shù)測試條件最小典型最大單位V

OS輸入失調(diào)電壓V=±15V，T=25℃

SA3075μVI

OS輸入失調(diào)電流T=25℃

A0.42.8nAI

B輸入偏置電流T=25℃

A±1.0±3.0nAV

CM輸入共模電壓范圍V=±15V

S±11-12~+15VR

IN輸入電阻T=25℃

J2060MΩIVR輸入電壓范圍±13±14VCMRR共模抑制比V=±13V

CM110126dBV

OM最大輸出電壓擺幅V=±15V，R=10kΩ

SL±12.5±13VSR壓擺率V=±15V，T=25℃

SA0.10.3V/μsGBW單位增益帶寬V=±15V，T=25℃

SA0.40.6MHz超低失調(diào)電壓運(yùn)算放大器OP07：雙電源供電±3~±15V。3、精密運(yùn)放3、精密運(yùn)放LTC2501：電源電壓2.7~±5.5V。符號(hào)參數(shù)測試條件最小典型最大單位V

OS輸入失調(diào)電壓V=±15V，T=25℃

SA420mVI

OS輸入失調(diào)電流T=25℃

A0.120μAI

B輸入偏置電流T=25℃

A5.420μAR

IN輸入電阻

差分模式-1V≤V≤+1V

IN70kΩ

共模模式-0.2V≤V≤+2.75V

CM3MΩCMRR共模抑制比V-0.2V≤V≤V-2.25V

EECMCC70100dBV

OM最大輸出電壓擺 幅R=150Ω

LV-V

CCOH0.3VV-V

OLEE0.3SR壓擺率V=2V階躍

OUT600V/usGBW單位增益帶寬V=20mV

OUTP-P150MHz低成本、軌對(duì)軌輸出、單電源供電高速運(yùn)算放大器MAX40164、高速運(yùn)放4、高速運(yùn)放5、高電壓、高電流運(yùn)放OPA548：單電源供電+8~+60V，雙電源供電±4~±30V。第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)集成運(yùn)放的選擇無特殊要求：選通用運(yùn)算放大器一個(gè)電路包含多個(gè)運(yùn)放：選雙運(yùn)放、四運(yùn)放對(duì)功耗有限制：低功耗運(yùn)放有很高的輸入阻抗：高輸入阻抗運(yùn)放系統(tǒng)要求精密：高精密、低漂移、低噪聲運(yùn)放系統(tǒng)工作頻率較高：高速及寬帶運(yùn)放較大負(fù)載：功率運(yùn)放運(yùn)放選擇步驟供電電源電壓。根據(jù)運(yùn)放輸出電壓范圍，選擇運(yùn)放電源電壓。帶寬。小信號(hào)（VPP<1V）時(shí)，考慮運(yùn)放的增益帶寬積GBW。轉(zhuǎn)換速率。大幅信號(hào)輸出時(shí)應(yīng)考慮運(yùn)放的壓擺率SR。精度。雖然失調(diào)電壓可以通過外部電路校正，但選用失調(diào)電壓較小的運(yùn)放可以降低設(shè)計(jì)難度。元器件DATASHEET搜索網(wǎng)址/

TI運(yùn)放搜索網(wǎng)址/lsds/ti_zh/analog/amplifiersandlinears/amplifiersandlinears.page第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.5正確使用集成運(yùn)算放大器1.供電電源的去耦

大容量的電容用作低頻濾波，小容量的電容因其對(duì)高頻信號(hào)形成低阻抗通路，從而起到高頻濾波作用。第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.5正確使用集成運(yùn)算放大器2.地線連接原則 地線連接總的原則是：地線應(yīng)短而寬，數(shù)字地和模擬地分開，并且在同一個(gè)點(diǎn)連接。第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.5正確使用集成運(yùn)算放大器3.輸入保護(hù)電路R1D1D2voR2RPVEEAviR1D1D2AviVCC第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.5正確使用集成運(yùn)算放大器4.單電源運(yùn)放的使用雙電源工作單電源工作第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.5正確使用集成運(yùn)算放大器4.單電源運(yùn)放的使用－虛擬地單電源虛擬地第1章基于集成運(yùn)放的放大電路設(shè)計(jì)1.5正確使用集成運(yùn)算放大器4.單電源運(yùn)放－交流耦合增益可調(diào)運(yùn)放VCA810TI的VCA810，在±40dB的增益可調(diào)范圍內(nèi)擁有35MHz的恒定帶寬。增益可調(diào)運(yùn)放VCA810增益可調(diào)運(yùn)放VCA810其它增益可調(diào)運(yùn)放VCA820(150MHz,-20dB~+20dB)VC