模拟前端学习指南

1、模拟前端学习指南 杨建国 2009-06 目录 器件简介 放大器关键参数解读 常见电路和应用场合 器件选择的基本原则 模拟前端的设计和调试方法 器件简介（一）：通用运放 除廉价外，没有任何最优指标的运放。 A741,LM324,TL084,LM358,NE5532等。 有单一运放、双运放、四运放等形式。 有不同的封装类型。 器件简介（二）：高速运放 主要表现在GBW,SR较大。 有电流反馈型和电压反馈型两类。 电流反馈放大器的优点是，具有更高的压 摆率，其增益和带宽是独立的，无“频率 越高，增益越小”的限制。 电流反馈放大器的稳定性较差，不能做成 常见的跟随器设计，需要缜密的稳定性设 计。 器

2、件简介（三）：高精密运放 低噪声运放 主要表现在Vn指标较小。 1nV20nV/Hz10kHz 噪声计算在器件参数解读中讲解。 噪声是固有的，随机的，本身无法消除的。 在放大小信号时，必须选用低噪声运放。 OPA211 器件简介（三）：高精密运放 高阻（低输入偏置电流） FET输入较好 提供很小的输入偏置电流，0.1pA10pA。 OPA129,0.1pA OPA337,10pA 用于精密电流检测，以及其它需要低偏置电流 的场合。 器件简介（三）：高精密运放 低功耗 主要表现在静态电流Iq较小上。 OPA369,1.1uA静态电流Iq TLV2401,0.95uA 一般低功耗运放，其它指标相应

3、较差。 器件简介（三）：高精密运放 低失调电压运放 有两个指标对此重要，VIO，一般为1uV以上， Offset Drift，0.01uV/ 失调是运放本身存在的，但是外部可调。 温漂却很难控制。 器件简介（三）：高精密运放 器件简介（三）：高精密运放 宽带 与高速运放相比，速度较低，一般在150MHz以下， 但失调和噪声更小。 型号GBW(MH z) SR(V/us)VIO(mV)Offset Drift(uV/C) Vn1kHz (nV/Hz) 价格 OPA3011508052.53$1.6 OPA36550250.2113$0.95 OPA435344228518$2.9 器件简介（三）

4、：高精密运放 轨至轨（Rail to Rail） 输入电压，特别是输出电压可以与电源电压（像轨 道一样约束着）非常接近，几乎达到满电源输出。 分为RRI，RRO，RRIO三类，一般不单独归类。 在低压供电中非常有用。 器件简介（四）：差动放大器 抑制共模，放大差模，提高CMRR 标准减法电路即可，但对称性非常关键 集成产品解决对称性问题 可以2/3输入（放大），也可5/1输入（衰减）。 优点 左边的放大，下 面的衰减。 下面的可以承受 高的共模电压。 Uid Uic Uid Uic UoutUid（10k/100k） 缺点 输入电阻较小 增益难以调节， 固定的10倍或 者0.1倍。 仪表放大器

5、应 运而生。 器件简介（五）：仪表放大器 在差动放大器的前端增加跟随器，形成典型的三运放结构。 增益可通过外部电阻调节；输入电阻很高；极高的CMRR。 不能接受太高的共模电压。 自归零技术，使得输入偏置电压很低，25uV； 输入端内部具有射频抑制； 较高的共模抑制比100dB； 输入电阻很高，增益在11000之间可调。 器件简介（六）：全差动放大器 输入有两种，单端和差动，输出也有两种，单端和 差动。 单出双出 单入一般运放电路（全差动） 双入仪表/差动全差动 用于入出类型转换，以及纯差动信号链中。 广泛用于高速差分ADC的前端。 注意VOCM，共模电压输入， 可以悬空，也可以由ADC等 提供

6、，其含义是通过此脚电 压输入，控制输出差动信号 的共模量。 器件简介（七）：电流并联检测器 电流检测的方法有直接法和间接法两种。 间接法利用霍尔传感器，一般测大电流。 直接法将一个电阻串在回路中，并联测量其电 压差以表征电流。 有高端检测(High Side)和低端检测(Low Side). High Side monitor Low Side monitor 器件简介（七）：电流并联检测器 低端检测用一般的精密放大器即可。但对被测 的负载影响不容忽视，因为其“GND”不再稳 定。 高端检测不影响GND，但面临的问题是，可能 遇到很高的共模电压，因此有专用的电流检测 器来克服这个困难。 一般用

7、毫欧姆欧姆级的专用电阻。 MSP430 器件简介（八） 可编程增益放大器PGA 一般具有归整的增益，常见有1、2、4、 8128，或者1、2、5、10、20 有并行控制的，有串行控制的，基本都能与现 有控制器很好的对接。 器件简介（九）：压控增益放大器 器件简介（十）：集成滤波器 与运放组成的滤波器相比，集成滤波器优点： 方便。 准确。一般不需要用户选择电容设定参数靠频率或者电阻。 体积小，各模块参数一致性好，更易形成相同截止频率的高阶 滤波器。 可控性较好。 缺点：有些存在频率噪声，对小信号滤波不利；价格 较高；灵活性有时较差。 外部器件设定截止频率型非程控； Pin programe数字量

8、设定频率型程控； Clock programe频率控制截止频率型程控； continuous-time型无需CLK，开关电容型需要fCLK 这两个都是continuous-time型，no clock in，no clock noise。每 个都有2组/4组二阶滤波器组成。串联可以形成4阶或者8阶的滤波 效果。 274具有4组，但FC脚只有一个。275具有2组，有2个独立的FC脚。 所有的频率点，Q值，都由外部电阻设置。 一般截止频率上限为150kHz300kHz，下限是100Hz。 第2讲 半程控，当外接振荡源改变fclk时，如果RC参数不变，则引起Q改变。 COSC可以接外部振荡源fclk

9、，也可接电容内部产生fclk. 截止频率fcfclk/(100,200,400可选，取决于D（）接V+,GND,V-) 上面的RC决定滤波幅频特性的形态，一般选1/2RC=1.62fc Universal/ Pin和R共同控制。 CLOCK控制型 这类纯CLOCK型，为低通，有不同的滤波类别和阶数。 一般为8阶、5阶。 含巴特沃思、切比雪夫、贝赛尔、椭圆等。 器件简介（十一）：模拟乘法器 实现两个模拟电压的相乘关系。 AD633：W=0.1*(X1-X2)*(Y1-Y2)+Z 看懂数据表参数和图 不细致看Datasheet就直接使用芯片，是一 个坏习惯。 上图输出振荡，为什么呢？ 220 22

10、0 110 Ui Uo OP37 看懂数据表 数据表一般由6部分组成 短句总结 概括页（关键指标，一般描述） 参数表（厂家在特定条件下测得） 指标图 应用（应用场合、典型电路） 封装（制板、购买） 要学会看，看完要有感觉 看懂数据表概括页 可以了解60的信息，初步确定是否符合。 主要陈述芯片最大的特点。 有些指标，出于商业化考虑，厂家在概括 页给出的数据是最优数据，不能全信。 不同公司对指标的叫法不同，要理解。 看懂数据表一般参数(TL081) 看懂数据表一般参数(TL081) 看懂数据表一般参数(OP37) 看懂数据表一般参数（OP37） 看懂数据表讲解关键参数 VOS (VIO) OP37

11、:1030uV, TL081:3mV Input offset voltage输入失调电压 加载在两个输入端之间的电压使得静止输出电压为0或 者指定的其它电平。 是器件开环下的参数。 VIO OP37:0.20.4uV/, TL081:18uV/ Average temperature coefficient of input offset voltage 输入失调电压平均温度系数 输入失调电流变化相对于气温变化的比值。是指定温 度范围内的平均值，用V/ 表示。 一般调零方法： 在调零电位器的 配合下，将输入 信号设为0（一 般是将输入端接 地），调电位器 使得输出为0。 不同的运放，其 调零

12、电路可能不 同，主要区别是 接-Vcc还是 Vcc；5/8脚 电位器值， datasheet上有。 看懂数据表讲解关键参数 噪声指标 有两个指标与噪声有关 Vn等效输入噪声电压 In等效输入噪声电流 其中Vn对输出含有的噪声贡献较大。 Vn由两个参数及完整的噪声密度图组成， 一个是某一范围内的噪声值，单位uV。 一个是某处的噪声密度，用nV/Hz表示。 最终的Vn由复杂的关系式计算获得，后面讲。 看懂数据表讲解关键参数 噪声指标 要计算输出噪声幅度，先计算e1，e2 当得不到C时，直接取给定值4uVpp， 除以6.6得到有效值e1 Vn=(e12+e22)0.5 一般，e2影响更大。 rmsn

13、dCL VkHzkHzHznVffeGe10810100)/18(20 122 rms a b CL V f f CGe*)ln( 1 看懂数据表讲解关键参数 知道Vn（有效值）后，乘以6.6倍或者6倍， 即可得到输出噪声峰峰值（99.7） 看懂数据表讲解关键参数 下表是低噪声OP37的指标和图。 e1峰峰值为80nVpp，即 80/6.6=12.12nVrms e1计算值为12.876.684nVpp 厂家给出的指标中，均未计算闭环增益， 在实际应用中，必须在e1和e2中乘以闭 环增益G，才能得到输出噪声幅度。 rms a b nV Hz Hz nV f f Ce87.12) 1 . 0 1

14、0 ln(6)ln( 1 看懂数据表讲解关键参数 放大电路输出噪声计算总结 确定闭环增益GCL;确定放大电路的上限工作频率f2；根据运放的噪声曲线， 确定转折频率f1，确定平坦区噪声密度end，计算e2，单位是有效值。 有两种方法确定e1 如果能从运放datasheet中获得1Hz处的噪声密度C，则确定1/f区域的上下限fb、 fa后，（注意，下限一般是0.1Hz，上限一般是转折频率f1） 有些数据表中，直接给出e1峰峰值，需要变成有效值除以6.6. 按照下式计算输出噪声有效值，然后乘以6.6为输出噪声峰峰值。 108 122 ffeGe ndCL rms a b CL V f f CGe*)

15、ln( 1 2 2 2 1 eeVn 看懂数据表讲解关键参数 单位增益带宽，增益带宽积，压摆率 看懂数据表讲解关键参数 看懂数据表讲解关键参数 mm t m fUfU dt tdu ftUtu 2)0cos(2 )( )2sin()( 0 对峰值为5V的正弦波输出（正负7V电源） TL081的满功率带宽为(13V/us)/(6.28*5V)=414.0kHz OP37的满功率带宽为(17V/us)/(6.28*5V)=541.4kHz 为满幅度输出电压为满功率带宽，其中 m m m t U U SR f fU dt tdu dt tdu SR 2 2 )( ) )( max( 0 对单位增益带

16、宽差异很大的放大器，其满功率带 宽却差异不大。说明，两者有独立性。 看懂数据表讲解关键参数 增益裕度和相位裕度 增益裕度和相位裕度都 应大于一定值，才能保 证运放的稳定性。 看懂数据表讲解关键参数 IIB Input bias current输入偏置电流 The average of the currents into the two input terminals with the output at the specified level.当输出维持在规定的 电平时，两个输入端流进电流的平均值。 IIO Input offset current输入失调电流 The difference b

17、etween the currents into the two input terminals with the output at the specified level.当输出维持 在规定的电平时，两个输入端流进电流的差值。 看懂数据表讲解关键参数 看懂数据表讲解关键参数 THD+N Total Harmonic Distortion plus Noise总谐波失真加噪声 谐波失真起因于运放电路的非线性，噪声起源于等效输入噪声。 一个纯正弦波输入，在电路的输出可以检测到多种频率分量： 基波U1,谐波Ui,噪声总量UN，均有有效值表示。 非线性失真主要由两个事件引起 SR不够； 输出超过电

18、源限制电压。 避免之则可大幅度减少谐波。 %100 1 2 U UU NTHD N m i i 看懂数据表讲解关键参数 看懂数据表技巧 看表格时，学会在右侧快速寻找单位，比看左侧的名称快。 注意表格中的适用条件： 25是一般测试条件，其指标为最优的； 其它温度范围下得到的指标，肯定比较差。 不同后缀产品，指标不同，要注意自己的芯片后缀。 看图时，对一些关键图的形态有所认识，有助于快速找到。 不同厂家的名称不同，需要格外注意。 在pdf文档中，利用查询可以快速定位。 第3讲常见电路目录 线性运算电路 常见电路比例器 同相比例器和反相比例器 常见电路跟随器 用于阻抗匹配； 电流反馈放大器中，为了保

19、证电路的稳定性，一定要增加反馈环 中的电阻，具体阻值可以参考数据表。 在电压反馈放大器中，一般无需增加环路电阻。 常见电路精确反相缓冲器 常见电路差分输出缓冲器 常见电路增益控制比例器 常见电路电流转换器 RL R Iout Ui 常见电路电流转换器 RL R Iout Ui R R R 常见电路电流转换器 常见电路测量表 常见电路测量表 常见电路线性运算电路 常见电路线性运算电路 常见电路线性运算电路 常见电路线性运算电路 常见电路线性运算电路 常见电路线性运算电路 Y=mX+b电路 常见电路线性运算电路 Y=mX-b电路 常见电路线性运算电路 Y=mXb电路（精确） 常见电路线性运算电路

20、Y=mX+b电路 常见电路线性运算电路 Y=mXb电路 常见电路加法器 常见电路加法器 常见电路减法器 常见电路积分器 简单积分器 常见电路积分器 零点漂移抑制积分器 常见电路积分器 含重建控 制的积分 器 常见电路积分器 差分积分器 常见电路积分器 比例积分器 常见电路微分器 微分器 此电路一般不直接使用。极易受到高频噪声影响频率越高， 其放大倍数越大 在设计中必须考虑限制高频。 常见电路微分器 对高频噪声有抑制作用的微分器 常见电路微分器 对高频噪声产生双重抑制的微分器 常见电路微分器 比例微分加法器（输出为原信号和微分的加法） 常见电路扩流电路 多数运放的输出电流能力很差，在需要大电流输

21、出时，或 者采用大电流运放，或者采用扩流电路。 左图是标准全幅度扩流，右两图为单极性扩流。 Ui0 Ui0.707时，幅频特性会出现隆起，切比雪夫型。 当Q=0.707时，巴特沃思型。 当Q0.707时，贝赛尔型。 Q值的选取，几乎无需设计者操心。当你需要切比雪夫，告诉需 要的阶数，有标准表格告诉你，各级的Q应该选多少。 对带通/带阻滤波器，Q代表通带/阻带的尖锐程度。Q=fn/(f2-f1) 常见电路滤波器（非集成滤波器） 一般概念：不同类型滤波器的选择 巴特沃思：具有最大限度的平坦频段，保护有用信号的幅度一致 性。广泛用于数据采集系统中的ADC前端抗混叠滤波。 切比雪夫：提供更加陡峭的增益

22、衰减。通带增益不是单调的，包 含固定数量的纹波。通带纹波越多，衰减越快。经常用于滤波器 组设计中，此处信号中含什么频率比增益不变更加重要。 贝赛尔低通在宽频率范围内具有线性相位特性，这导致在此频段 内具有不变的群延时。贝赛尔低通，因此提供了一个最适合方波 传输的行为。然而，它的其它特性却不如巴特沃思和切比雪夫。 常见电路滤波器（非集成滤波器） 一般概念：滤波效果分类 低通滤波器：保留低频，滤除高频。 高通滤波器：保留高频，滤除低频。 带通滤波器：保留一个频段内的信号，滤除其余的。 陷波器（带阻滤波器）：滤除一个频段内的信号，保留其余的。 全通滤波器：不滤除任何频率分量，仅对不同的频率分量产生线

23、 性相移。 常见电路滤波器（非集成滤波器） 一般概念：滤波器设计的基本规则 先确定使用有源还是无源。 无源滤波器有大量的现成电路可以参考，有标准的计算公式。 对有源滤波器，首先要确定三种滤波器的种类，是巴特沃思、还 是切比雪夫等。 然后确定阶数，根据表格确定各级的Q、a、b。 选择合适的电路结构，Sally-Key or MFB. 对每级滤波器，选定一个电容C1,即可计算获得其它参数。 常见电路低通滤波器 常见电路一阶低通滤波器 3 2 0 11 1, 2 1 R R A CR fL 一阶低通滤波器基本电路 1 2 0 12 , 2 1 R R A CR f L 0, 1 11 ba 0, 1

24、 11 ba 分析 设计 已知fL,，增益A0,以及a1 1）选定C12） 1 1 1 2Cf a R L 3）选定R3 302 )1 (RAR 已知fL,，增益A0,以及a1 1）选定C1 1 1 2 2Cf a R L 3） 021 / ARR 3 2 0 11 1, 2 1 R R A CR f L 注意：如果计算出的电阻过大（大于500k）或者过小（100欧），需要重选。 常见电路一阶低通滤波器 一阶低通滤波器设计举例 要求设计一个独立的一阶低通滤波器，单位增益，截止频率为 1kHz。 选定电路为同相输入，单位增益，电路如下: 选定电容C1为47nF。无特殊要求，a11 选择电阻为3.

25、38k，精度1。 如果此滤波器为三阶贝赛尔滤波器的第一级，重新设计。 查找表格得知，在三阶贝赛尔中，第一级的a10.756 选择R1为2.56k，精度1 99.3387 1047100028. 6 1 2 9 1 1 1 Cf a R L 32.2561 1047100028. 6 756. 0 2 9 1 1 1 Cf a R L 常见电路二阶低通滤波器 二阶低通滤波器（有下列两类，共3种可供选择） Sallen-Key 拓扑-同相 MFB(Multi FeedBack )拓扑反相 常见电路二阶低通滤波器 二阶低通滤波器Sallen-Key结构单位增益 设计步骤（已知截止频率，滤波器类型，阶

26、数） 1）根据类型、阶数，查表格确定a1,b1 2）自行选择C1,根据左式计算C2 3）根据左下式计算R1、R2 4）R1、R2的选取以1精度 常见电路系数表(Bessel) 常见电路系数表(Butterworth) 常见电路系数表(Tschebyscheff) 常见电路系数表 常见电路二阶低通滤波器 举例 二阶单位增益切比雪夫低通，截止频率3kHz，-3dB通带纹波 根据表16-9，查出a1.0650，b1.9305 常见电路二阶低通滤波器 常见电路二阶低通滤波器 可调节二阶低通滤波器（更容易选取电阻电容） 常见电路二阶低通滤波器（MFB) 二阶低通滤波器MFB（反相，方便提供更高增益） 设

27、计步骤： 2）选定C1 3）计算C2 4）计算电阻 1）确定BS/BTW/CHE，查表获得a1，b1，根据要求，确定A0, fc 常见电路高阶低通滤波器 高阶滤波器均由一阶和二阶级联形成。 各级的转角频率fci与总截止频率fc不一定相同。 设计时按照单级A0, ai，bi，以及总fc进行，无需考虑fci 在B/B/C选择上，必须各级相同。 在S/M选择上，可以各级不同，但尽量相同。 常见电路高阶低通滤波器 举例 五阶单位增益巴特沃思，截止频率50kHz 立即查巴特沃思表。 确定三个滤波器的ai、bi 因为是单位增益，因此电路结构最好选择三个都是SallenKey 第1级第2级第3级 常见电路高

28、阶低通滤波器 第一级，一阶低通。 已知a11，b10，fc50kHz 常见电路高阶低通滤波器 第2级，二阶低通。 已知a11.6180，b11，fc50kHz 常见电路高阶低通滤波器 第3级，二阶低通。 已知a3，b3，fc50kHz 常见电路高阶低通滤波器 注意 总滤波器为巴特沃思型，但第1级为一阶，第2级为贝赛尔型，第3 级为切比雪夫型。 各级的独立截止频率为fci不一定等于fc，显然当Q增大时，独立的 截止频率会大于fc。可以从表中看出，kifci/fc是不同的。 在计算中，只要遵循表格即可，无需考虑fci 第4讲常见电路高通滤波器 高通滤波器（电阻电容互换即可实现） 常见电路一阶高通滤波器 一阶高通滤波器（独立的一阶，a11） 高阶高通（奇数阶）设计时，表格会给出第1 级一阶高通滤波器的a1 常见电路二阶高通滤波器 二阶高通滤波器（有下列两类，共3种可供选择） Sallen-Key 拓扑-同相 MFB(Multi FeedBack )拓扑反相 常见电路二阶高通滤波器Sallen-Key 常见电路二阶高通滤波器MFB 可以获得高增益，但为反相 根据确定的A,选择 C和C2 由于A受C和C2影响，电容必须选择精度高的 常见电路高阶高通滤波器 设计方法与低通滤波器完全相同，还是要频繁使用表格 （与低通完全相同） 举例：（3阶单位增益高通贝赛尔，fc1kHz） 注意，此处的一阶滤