高性能放大器

1、第一章 高性能(特殊)運(yùn)算放大器內(nèi)容：一集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)二動(dòng)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(wèn)題1：放大器的作用？等效模型？主要有哪幾個(gè)參數(shù)？問(wèn)題2：運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)？多級(jí)直接耦合放大電路存在的主要問(wèn)題？為何采用差分輸入級(jí)？放大電路的等效模型：主要有Ri，Ro和Avo三個(gè)參數(shù)。還有其它一些參數(shù)如：帶寬等。集成電路運(yùn)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(jí)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(yùn)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(jí)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(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比 和 抑制零點(diǎn)漂移，它的兩個(gè)輸入端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端。(2)電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益，它可由一級(jí)或多級(jí)直接耦合放大電路組成。(3)輸出級(jí)一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。(4)偏置電路是為各級(jí)提供合適的工作電流。此外還有一些輔助電路，如電平移動(dòng)電路、過(guò)載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償?shù)入娐贰?fù)習(xí):運(yùn)算放大器理想化模型所做的幾點(diǎn)假設(shè)是什么？(1) 開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)無(wú)窮大(2) 輸入電阻無(wú)窮大(3) 輸出電阻為0(4) 共模抑制比無(wú)窮大復(fù)習(xí):理想運(yùn)放在負(fù)反饋電路

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

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

5、叫做失調(diào)電壓Vio。實(shí)際上指輸入電壓Vi0時(shí)，輸出電壓Vo折合到輸入端的電壓的負(fù)值，即VIO-(Vo| Vi=0)Avo。VIO的大小反應(yīng)了運(yùn)放制造中電路的對(duì)稱程度和電位配合情況。VIO值愈大，說(shuō)明電路的對(duì)稱程度愈差，一般約為土(110)mv。通用運(yùn)放的數(shù)量級(jí)在±1mV幾十mV之間，精密(低漂移)運(yùn)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(bǔ)償電壓！(2)輸入偏置電流IIB(IIP，IIN)(對(duì)BJT有效，對(duì)FET無(wú)效)BJT集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端是差分對(duì)管的基極，因此兩個(gè)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(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，兩

6、個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，如圖所示。當(dāng)Vo0時(shí)，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(yùn)故差分輸入級(jí)BJT的性能，當(dāng)它的值太小時(shí)、將引起偏置電流增加。從使用角度來(lái)看，偏置電流愈小，由于信號(hào)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(biāo)。一般為10 nA1A。(3)輸入失調(diào)電流IIO在BJT集成電路運(yùn)放中，輸入失調(diào)電流IIO是指當(dāng)輸出電壓為零時(shí)流入放大器兩輸入端的靜態(tài)基極電流之差，即由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，IIO會(huì)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(jí)差分對(duì)管的不對(duì)稱程度。IIO愈小，輸入級(jí)差分對(duì)管的對(duì)

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(duì)放大造成的誤差可以通過(guò)外接調(diào)零裝置來(lái)補(bǔ)償。 放大器的溫度漂移是造成誤差的主要來(lái)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(biāo)，不能用外接調(diào)零裝置的辦法來(lái)補(bǔ)償。輸入失調(diào)電壓溫漂越小越好。通用運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±(1020)mV/之間，精密運(yùn)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(lái)補(bǔ)償。高質(zhì)量的運(yùn)放每度變化幾個(gè)pA/。差模和共模信號(hào)的定義（圖）：加入差分放大器中的信號(hào)都可以分解為：差模輸入信號(hào)（兩個(gè)信號(hào)大小相等，相位相反）和共模輸入信號(hào)（兩個(gè)信號(hào)大小相等，相位相同）。 差分信號(hào)的傳輸：在RS-485雙絞線通信，網(wǎng)絡(luò)通信（數(shù)字信號(hào)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(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓。超過(guò)此電壓,運(yùn)放輸入級(jí)對(duì)管

9、將進(jìn)入非線性區(qū)，而使運(yùn)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(dá)±30V以上(7)最大共模輸入電壓Vicmax動(dòng)態(tài)（AC）技術(shù)指標(biāo)運(yùn)算放大器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)包括：(8)開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AVO開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)AVd是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)、接入規(guī)定的負(fù)載，輸出電壓的變化量與運(yùn)放輸入端口處的輸入電壓的變化量之比。運(yùn)放的AVd在60120dB之間。不同功能的運(yùn)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(cè)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(kāi)始下降。

10、下圖表示741型運(yùn)放AVO的頻率響應(yīng)。(9)開(kāi)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(yùn)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(lái)表示。不同功能的運(yùn)放，CMRR也不相同，有的在6070dB之間，有的高達(dá)180dB。CMRR越大，對(duì)共模干擾抑制能力越強(qiáng)。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(hào)時(shí)運(yùn)放的輸入電阻。Rd越大，對(duì)信號(hào)源的影響越小，運(yùn)放的Rd一般

11、都在幾百千歐以上。BJT的較小、MOSFET很大！(12)開(kāi)環(huán)帶寬BW開(kāi)環(huán)帶寬又稱3dB帶寬，是指運(yùn)算放大器的差模電壓放大倍數(shù)AVd在高頻段下降3dB所對(duì)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(hào)頻率增加，使AVd下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率fT，即AVd為0dB時(shí)的信號(hào)頻率fT。它是集成運(yùn)放的重要參數(shù)。741型運(yùn)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(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，放大電路輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，見(jiàn)下圖。它反映了運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速

12、率SR的表達(dá)式為轉(zhuǎn)換速率SR是在大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，目前一般通用型運(yùn)放壓擺率在110V/µs左右。壓擺率示意圖問(wèn)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(wèn)題：?jiǎn)栴}：下面是什么電路？放大倍數(shù)？如何加匹配電阻和取值？問(wèn)題：下面是什么電路？放大倍數(shù)？如何加匹配電阻和取值？問(wèn)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(yùn)算放大器的符號(hào)和型號(hào) (1) 運(yùn)算放大器的符號(hào) 運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端：兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。其中一個(gè)輸入端稱為同相輸入端，該端輸入信號(hào)與輸出端輸出信號(hào)的極性相同，用符號(hào)+或IN+表示；另一個(gè)輸入端

13、稱為反相輸入端，該端輸入信號(hào)與輸出端輸出信號(hào)變化的極性相異，用符號(hào)-或IN-表示。輸出端一般畫(huà)在輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有+號(hào)。實(shí)際的運(yùn)算放大器還必須有正、負(fù)電源端，還可能有補(bǔ)償端和調(diào)零端。在簡(jiǎn)化電路中，電源端、調(diào)零端等都不畫(huà)。下面給出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器符號(hào)：(2) 集成運(yùn)算放大器的型號(hào)命名 數(shù)字序號(hào)，一般與同類型的世界上其它廠家的產(chǎn)品序號(hào)相同。 運(yùn)算放大器功率放大器 1.1.3 運(yùn)算放大器分類 為滿足實(shí)際使用中對(duì)集成運(yùn)放性能的特殊要求，除性能指標(biāo)比較適中的通用型運(yùn)放外，出現(xiàn)了適應(yīng)不同需要的專用型集成運(yùn)放。根據(jù)運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)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(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)比較適中，價(jià)格低廉。通用型運(yùn)放也經(jīng)過(guò)了幾代的演變，早期的通用型運(yùn)放已很少使用了。以典型的通用型運(yùn)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(kāi)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(yùn)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(yùn)放的單位增益帶寬和壓擺率的指標(biāo)均較

15、高，轉(zhuǎn)換速率SR30V/S，單位增益帶寬BWG10MHz。用于小信號(hào)放大時(shí)，比較注重BWG；用于高速大信號(hào)放大時(shí)，同時(shí)還應(yīng)注重SR。 例如：AD9618:小信號(hào)帶寬（-3dB）160MHz。1.1.3.3 高精度、低漂移型 高精度、低漂移型運(yùn)放，一般用于毫伏量級(jí)或更微弱信號(hào)的精密檢測(cè)、精密計(jì)算、精密傳感器信號(hào)變送器、高精度穩(wěn)壓電源及自動(dòng)控制儀表中。 1.1.3.4 高輸入阻抗型 目前, 高輸入阻抗型運(yùn)放廣泛用于生物醫(yī)學(xué)電信號(hào)測(cè)量的精密放大電路、有源濾波器、取樣保持放大器、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)放大器和模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。 這種類型集成運(yùn)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(yùn)放。例如：1.1.3.5 低功耗型 低功耗型運(yùn)放一般用于對(duì)能源有嚴(yán)格限制的遙