基于集成运放的放大电路设计

1、物理与电子电气工程学院1.1 1.1 运算放大器的模型运算放大器的模型 运算放大器运算放大器构成信号的产生、信号的变换、构成信号的产生、信号的变换、信号处理等各种各样功能，已成为构成模拟系统信号处理等各种各样功能，已成为构成模拟系统的基本单元。的基本单元。l运算放大器由多级基本放大电路直接耦合组成，增益高。l通常由高阻输入级、中间放大级、低阻输出级和偏置电路组成。l运放与外部电路连接构成功能电路时，无需关心其内部电路，而着重研究其外特性。l简化模型有理想运算放大器模型和实际运算放大器模型。1.1.理想运算放大器的模型理想运算放大器的模型（1）开环电压增益开环电压增益 AVO；（2）输入电阻）输

2、入电阻 ri= ；（3）输出电阻）输出电阻 ro=0；（4）频带宽度）频带宽度 f=；上限截止频率；上限截止频率fH= ;（5）共模拟制比）共模拟制比 KCMR=；（6）失调漂移）失调漂移(电压、电流电压、电流)、内部噪声均为、内部噪声均为0。l从理想运算放大器的这些条件可以导出理想运放线性运用时具有的2个重要特性：l1) ri= iN = iP = 0；l2) AVO vN = vP ;l理想运放的前三条特性，通用运放一般可以近似满足。l理想运放的后三条特性，通用运放不易达到，可选用专用运放来近似满足。2.2.实际运算放大器的模型实际运算放大器的模型（1）差分输入电阻）差分输入电阻ri；（2

3、）电压增益）电压增益AVO；（3）输出电阻）输出电阻rO；（4）差分输入电压）差分输入电压 vid=vP-vN。741运算放大器的运算放大器的ri=2M，AVO=200V/mV，ro=75。 l例：要维持 vo= 6Vl对于741运放：vid = vo / 200000 = 30uVl对于OP77运放： vid = vo / (12*106) = 0.5uV1.1.比例放大器比例放大器Avf=vo/vi= -R2/R11.2 1.2 用集成运放构成的典型放大电路用集成运放构成的典型放大电路2.2.同相放大器同相放大器12iovf1RRvvA3.3.加法电路加法电路f2211oRRvRvv）（加

4、法电路的应用加法电路的应用D/AD/A转换器双极性输出转换器双极性输出 1o2V5vvD/AD/A转换器单极性和双极性输出工作波形转换器单极性和双极性输出工作波形 4.4.基本差动放大电路基本差动放大电路 （1 1）差模信号和共模信号）差模信号和共模信号 很多传感器的输出信号既有差模信号，又有共模很多传感器的输出信号既有差模信号，又有共模信号。信号。 VDIFF表示差模电压，它是有用信号。表示差模电压，它是有用信号。VCM表示共表示共模电压，它携带的信号对测量没有用处，且会降低测模电压，它携带的信号对测量没有用处，且会降低测量精度。量精度。 对于这种信号一般采用差分放大电路进行放大。对于这种信

5、号一般采用差分放大电路进行放大。 （2 2）基本差分放大电路的原理）基本差分放大电路的原理 21fF2F11fo2o1o1vRRRRRvRRvvv）（ 当当Rf=RF，R1=R2 时，时，）（）（21f211fo2o1ovvAvvRRvvvv（3 3）专用差分放大器）专用差分放大器-IN132-IN132 在实际使用中，差分放大电路的电阻参数很难完全匹配，在实际使用中，差分放大电路的电阻参数很难完全匹配，导致共模抑制能力下降，这时可采用专用差分放大器。导致共模抑制能力下降，这时可采用专用差分放大器。 5.5.仪表放大器仪表放大器 基本差分电路虽然可以达到放大差模信号，抑制共模信基本差分电路虽然

6、可以达到放大差模信号，抑制共模信号的目的，但存在输入电阻较低、增益调节不便的缺点。号的目的，但存在输入电阻较低、增益调节不便的缺点。 采用采用IN132构成的仪表放大器构成的仪表放大器 ）（1212o21vvRRv5.5.仪表放大器仪表放大器单片集成仪表放大器单片集成仪表放大器AD620 只需一只外接电阻来调节增益；只需一只外接电阻来调节增益；G=100时，带宽时，带宽120kHz。供电电源供电电源2.3V 18V；5.5.仪表放大器仪表放大器AD620 应用应用数据采集系统数据采集系统5.5.仪表放大器仪表放大器AD620 应用应用精密精密V/I变换变换5.5.仪表放大器仪表放大器AD620

7、应用应用心电（心电（EGC）检测仪）检测仪6.6.反相交流放大器反相交流放大器C1=1000/2f0R1（F）C2=1000/2f0RL（F）单电源供电交流放大器单电源供电交流放大器6.6.同相交流放大器同相交流放大器1.3 1.3 集成运放的主要参数集成运放的主要参数 1.1.输入偏置电流和输入失调电流输入偏置电流和输入失调电流 同相输入端吸收的电流用同相输入端吸收的电流用IP表示，反相输入端表示，反相输入端吸收的电流用吸收的电流用IN表示表示 2NPBIII将将IP和和IN的差称为输入失调电流的差称为输入失调电流IOS=IP-IN分析：输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响分析：输入偏置电

8、流和失调电流对放大电路的影响 PPPRIV1PP1P1RRIRVIN1PPN12IRRIIIIN2PP12PP121NPPPP2N1PPPP22o1IRIRRRRIRRRIRIRIRIRRIRIRIv）（）（）（/1PPN21120IRIRRRRE）（）（输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响 2/1OSP21BP21120/IRRRIRRRRRE）（）（）（21P/RRR OS21120/1IRRRRE）（令令得得措施措施：缩小所有的电阻缩小所有的电阻 ；选择一款具有更低选择一款具有更低IOS值的运算放大器值的运算放大器 2. 输入失调电压输入失调电压

9、将同相输入端和反相输入端短接，将同相输入端和反相输入端短接，对于实际对于实际运算放大器来说，由于输入级电路参数的固有失运算放大器来说，由于输入级电路参数的固有失配，其输出电压配，其输出电压vo0 。V VOSOS对电阻反馈运算放大器电路的影响对电阻反馈运算放大器电路的影响 OS1201VRRE）（ 输出失调电压的补偿输出失调电压的补偿 3.3.开环带宽开环带宽BWBW和单位增益带宽和单位增益带宽GBWGBW 开环电压增益从开环直流增益开环电压增益从开环直流增益A0下降下降3dB时所对应的频时所对应的频宽称为开环带宽宽称为开环带宽BW 从开环直流增益到从开环直流增益到0dB时所对应的频宽称为单位

10、增益带时所对应的频宽称为单位增益带宽宽GBW 。741运放的典型值运放的典型值fb=5Hz，ft=2000005=1MHz。 例：用运算放大器例：用运算放大器741设计一个增益为设计一个增益为60dB的音频放的音频放大器，要求带宽大器，要求带宽fB20kHz。 放大电路增益与带宽的关系放大电路增益与带宽的关系FtBAff fB：放大器带宽；：放大器带宽；AF：放大器增益：放大器增益 4 4转换速率转换速率（Slewing Rate，SR） 转换速率也称压摆率，其定义是运放在额定负载及输入转换速率也称压摆率，其定义是运放在额定负载及输入阶跃大信号时输出电压的最大变化率阶跃大信号时输出电压的最大变

11、化率 。tVSRO 当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实际的带宽当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实际的带宽起到主要的约束。起到主要的约束。 fp（max）=SR/（2Vo（max）4 4转换速率转换速率（Slewing Rate，SR） OPA552的单位增益带宽的单位增益带宽GBW为为12MHz，SR为为24V/S，用其构成放大倍数为用其构成放大倍数为5的反相放大器，其小信号带宽为的反相放大器，其小信号带宽为12MHz/5=2.4MHz，当输出信号的峰，当输出信号的峰-峰值为峰值为10V时，其时，其fp（max）=SR/（2Vo（max）=764（kHz）正确使用集成运算放

12、大器正确使用集成运算放大器（1）正确理解运放性能参数）正确理解运放性能参数最重要的三个参数：供电电源，带宽，输出电流最重要的三个参数：供电电源，带宽，输出电流（1）JFET输入运算放大器输入运算放大器TL082 TL082是低成本、高速、双是低成本、高速、双JFET输入运算放大器，适输入运算放大器，适用于高速积分电路、用于高速积分电路、D/A转换电路、采样保持电路以及低输转换电路、采样保持电路以及低输入失调电压、低输入偏置失调电流、高输入阻抗等应用场合。入失调电压、低输入偏置失调电流、高输入阻抗等应用场合。 （1）JFET输入运算放大器输入运算放大器TL082符号符号参参 数数测试条件测试条件

13、最小最小典型典型最大最大单位单位VOS输入失调电压输入失调电压Rs=10k，TA=25515mVIOS输入失调电流输入失调电流TJ=2525200pAIB输入偏置电流输入偏置电流TJ=25504000pAVCM输入共模电压范输入共模电压范围围VS=15V11- -12+15VRIN输入电阻输入电阻TJ=251012VOM最大输出电压摆最大输出电压摆幅幅VS=15V，RL=10k1213.5VSR压摆率压摆率VS=15V，TA=25813V/sGBW单位增益带宽单位增益带宽VS=15V，TA=254MHz（2）超低失调电压运算放大器）超低失调电压运算放大器OP07 OP07具有非常低的失调电压、

14、非常低的偏置电流具有非常低的失调电压、非常低的偏置电流和很高的开环增益。和很高的开环增益。OP07具有很宽的电源电压范围具有很宽的电源电压范围3V15V。 符号符号参参 数数测试条件测试条件最小最小典型典型 最大最大单位单位VOS输入失调电压输入失调电压VS=15V，TA=253075VIOS输入失调电流输入失调电流TA=250.42.8nAIB输入偏置电流输入偏置电流TA=251.03.0nAVCM输入共模电压范围输入共模电压范围VS=15V11-12+15VRIN输入电阻输入电阻TJ=252060MIVR输入电压范围输入电压范围1314VCMRR共模抑制比共模抑制比VCM=13V11012

15、6dBVOM最大输出电压摆幅最大输出电压摆幅VS=15V，RL=10k12.513VSR压摆率压摆率VS=15V，TA=250.10.3V/sGBW单位增益带宽单位增益带宽VS=15V，TA=250.40.6MHz（2）超低失调电压运算放大器）超低失调电压运算放大器OP07 （3）低成本、轨对轨输出、单电源供电高速运算放）低成本、轨对轨输出、单电源供电高速运算放大器大器MAX4016符号符号参参 数数测试条件测试条件最小最小典型典型最大最大单位单位VOS输入失调电压输入失调电压VS=15V，TA=25420mVIOS输入失调电流输入失调电流TA=250.120AIB输入偏置电流输入偏置电流TA

16、=255.420ARIN输入电阻输入电阻差分模式差分模式-1VVIN+1V70k共模模式共模模式-0.2VVCM+2.75V3MCMRR共模抑制比共模抑制比VEE-0.2VVCMVCC-2.25V70100dBVOM最大输出电压摆最大输出电压摆幅幅RL=150VCC-VOH0.3VVOL-VEE0.3SR压摆率压摆率VOUT=2V阶跃阶跃600V/sGBW单位增益带宽单位增益带宽VOUT=20mVP-P150MHz（4）高电压、低失真电流反馈运算放大器）高电压、低失真电流反馈运算放大器THS3092符号符号参参 数数测试条件测试条件最小最小典型典型最大最大单位单位小信号带宽小信号带宽G=2，R

17、F=1.21k，VO=200mVPP210MHz大信号带宽大信号带宽G=5，RF=1k，VO=4VPP135MHzSR压摆率压摆率G=5， VO=20V阶跃，阶跃，RF=1k，7300V/sVOS输入失调电压输入失调电压VCM=0V4mVIOS输入失调电流输入失调电流VCM=0V20AIB输入偏置电流输入偏置电流VCM=0V20ARIN输入电阻输入电阻1.3MCMRR共模抑制比共模抑制比65dBVOM最大输出电压摆幅最大输出电压摆幅RL=10011.8V正确使用集成运算放大器正确使用集成运算放大器（2）输入保护电路）输入保护电路正确使用集成运算放大器正确使用集成运算放大器（3）供电电源的去耦）供电电源的去耦（4）高速运放使用注意事项）高速运放使用注意事项不要使用面包板，因为面包板含有较大的电感不要使用面包板，因为面包板含有较大的电感采用表面贴装元件代替直插元件，以改