第5章1 电子系统设计基于集成运放的放大电路设计

1、第一部分 模拟电子系统设计与实践随着电子技术的发展综合电子系统中模拟子系统比重下降模拟子系统具有关键的作用模拟子系统的设计具有挑战性模拟子系统设计的关键如何性能优良的集成电路连接成系统，满足设计要求第1章 基于集成运放的放大电路设计1.1 运算放大器的模型（4）上限截止频率fH=；1. 理想运算放大器模型第1章 基于集成运放的放大电路设计（5）共模拟制比KCMR=；（6）失调漂移、内部噪声均为0。Dv（1）开环电压增益AVO；（2）输入电阻ri= ； vN（3）输出电阻r =0；vPvO对于理想运算放大器的前三条特性，通用运放一般可以近似满足，后三条特性一般通用放大器不易达到，但对某些功能电路

2、非常重要，实际使用时，可选用专用运算放大器来近似满足。如可选用带宽运算放大器获得一定的频带宽度，选用精密运放使失调漂移、内部噪声趋于0.第1章 基于集成运放的放大电路设计（1）差分输入电阻ri； v - -（2）电压增益AVO；v（3）输出电阻rO；+2. 实际运算放大器模型第1章 基于集成运放的放大电路设计NvD ri+P（4）差分输入电压vD=vP-vN。+-rovOAVOvD741运算放大器的ri=2M，AVO=200V/mV，ro=75。1.2 用集成运放构成的基本放大电路1. 比例运算放大电路第1章 基于集成运放的放大电路设计闭环电压放大倍速数：K=vo/vi=-R2/R1K=vo/

3、vi=1+R2/R1反相放大器同相放大器：输入电阻大当当R2=0,R1=时，时，K=1为电压跟随器。为电压跟随器。2. 加法电路第1章 基于集成运放的放大电路设计第1章 基于集成运放的放大电路设计2. 加法电路TLC7524或DAC0832VREFRfbI OUT1I OUT2当D/A转换器输出为正弦信号时，输入、输出对应的关系曲线：第1章 基于集成运放的放大电路设计3. 基本差分放大电路第1章 基于集成运放的放大电路设计voV+R1R2RTWV+V+R1R2vovo应变片传感器电桥测量电路输出信号的特点是较小（微伏级到毫伏级）的差模信号而有较大（几伏）的共模信号。3. 基本差分放大电路3.

4、基本差分放大电路第1章 基于集成运放的放大电路设计R1vov1v2Rf-+AR2RF抑制共模输入信号当当Rf/R1=RF/R2时，时，vo=-(Rf/R1)*(v2-v1)共模抑制比共模抑制比CMRR差模信号放大倍数差模信号放大倍数/共模信号放大倍数共模信号放大倍数，是差分放，是差分放大器的重要指标。大器的重要指标。基本差分电路第1章 基于集成运放的放大电路设计 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。4. 仪表放大器基本差分电路虽然可以达到放大差模信号，抑制共模信号的目的，但存在输入电阻较低、增益调节不便的缺点。第1章 基于集成运放的

5、放大电路设计第1章 基于集成运放的放大电路设计4. 仪表放大器（如AD620,INA128,INA333）抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因Vo=(1+2*R2/R1)(v2-v1)第第1章章 基于集成运放的放大电路设计基于集成运放的放大电路设计第第1章章 基于集成运放的放大电路设计基于集成运放的放大电路设计第第1章章 基于集成运放的放大电路设计基于集成运放的放大电路设计1.3 集成运放的主要参数输入偏置电流、输入失调电流输入失调电压转换速率SR增益带宽积GBW共模抑制比CMRR最大差模输入电压和最大共模输入电压第1章 基于集成运放的放大电路设计第1章 基于集成运放的放大电路设计1.输入偏

6、置电流、输入失调电流第1章 基于集成运放的放大电路设计消去输入偏置电流、输入失调电流的方法：消去输入偏置电流、输入失调电流的方法：1）、消去输入偏置电流的方法：令RP=R1/R2 注：注：在最新工艺的一些器件中，内部已有在最新工艺的一些器件中，内部已有IB补偿电路，补偿电路，因此因此没必要用到没必要用到RP。2）、减少输入失调电流的方法：通过减小R1、R2的阻值（但这样会增加功耗，减小输入阻抗），或者选择低IOS的运放。第1章 基于集成运放的放大电路设计2.输入输入失调电压第1章 基于集成运放的放大电路设计2.输入输入失调电压减少输入失调电压的方法：第1章 基于集成运放的放大电路设计3. 开环

7、带宽BW(或-3dB带宽)和单位增益带宽GBW（或GBP）第1章 基于集成运放的放大电路设计3. 开环带宽BW(或-3dB带宽)和单位增益带宽GBW（或GBP）(闭环)设计时设计时GBW应留有足够的裕量，一般地，应留有足够的裕量，一般地，GBW设计设计=(10100)*GBW手册手册第1章 基于集成运放的放大电路设计 4.转换速率转换速率又称压摆率，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，即SR Vot第1章 基于集成运放的放大电路设计4. 转换速率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。f p（max）=SR/（2Vo（max）式中，式中，f p（

8、max）称为称为全功率带宽全功率带宽（运放满程量输出时能达到的最大带宽）（运放满程量输出时能达到的最大带宽） Vo（max）指的是输出的最大电压指的是输出的最大电压峰峰值峰峰值。 SR= 2Vo（max）* fp（max）设计时设计时SR应留有足够的裕量，一般地，应留有足够的裕量，一般地，SR设计设计=(10100)*SR手册手册第1章 基于集成运放的放大电路设计0tvI4. 转换速率OPA552的单位增益带宽GBW为12MHz，SR为24V/S，用其构成放大倍数为5的反相放大器，其小信号带宽为12MHz/5=2.4MH。 当输出信号的峰-峰值为10V时，其fp（max）=SR/（2Vo（ma

9、x）=764（kHz）Vvo第1章 基于集成运放的放大电路设计5. 供电电压 轨对轨（轨对轨（Rail to Rail）：是指输出达到或接近电源电压。）：是指输出达到或接近电源电压。 非非轨对轨：是指输出与电源电压间还有一定差值。轨对轨：是指输出与电源电压间还有一定差值。 LM324MAX4016第1章 基于集成运放的放大电路设计6. 闭环输入/输出阻抗闭环输入阻抗闭环输入阻抗 反相放大器vo=-(R2/R1)viii=(vi-vo)/(R1+R2)=(vi+(R2/R1)vi)/(R1+R2)=vi/R1ri=vi/Ii=vi/(vi/R1)=R1同相放大器ip=0ri=vi/ip=ip结论

10、：结论：同相放大器同相放大器输入电阻很大。输入电阻很大。注：注：要使某运放的输入电阻为要使某运放的输入电阻为50，若是采用反相输入，则令上图中的，若是采用反相输入，则令上图中的R1= 50即可；若是采用同相输入即可；若是采用同相输入则在运放的则在运放的+端与地间接端与地间接50电阻即可。电阻即可。第1章 基于集成运放的放大电路设计6. 闭环输入/输出阻抗闭环输出阻抗闭环输出阻抗 R1R2V+iV-=(R1/ri)/(R1/ri+R2)V AVO=-R2/R1 i=(V-V-)/R2+(V-AVOV-)/r0RO=V/i=r0/(1+(AVO+r0/R1+r0/ri)/(1+R2/R1+R2/r

11、i)V-结论：结论：闭环输出电阻闭环输出电阻R0比开环输出电阻比开环输出电阻r0小。小。注：注：若要使某运放的输出负若要使某运放的输出负载为载为50，则在该运放的输，则在该运放的输出端出端串上串上50电阻即可。电阻即可。1.4 集成运放的分类及选择第1章 基于集成运放的放大电路设计按工艺分类：按工艺分类： 1、双极型（、双极型（Bipolar）：低失调电压、低温度漂移、高开环增益、高）：低失调电压、低温度漂移、高开环增益、高CMRR。 2、 JFET型：低型：低IB，高输入阻抗。，高输入阻抗。 3、 CMOS型：低电压、低功耗、轨对轨、低成本、体积小。型：低电压、低功耗、轨对轨、低成本、体积小

12、。按运放参数分类：按运放参数分类：1、通用型运放（指标适中、价格低、适用面广）：、通用型运放（指标适中、价格低、适用面广）：LM741、LM358、LM3242、高阻型运放、高阻型运放3、精密运放、精密运放4、高速运放、高速运放5、高电压、高电流运放、高电压、高电流运放1、通用型运放、通用型运放2、高阻型运放、高阻型运放TL082：双电源供电18V。符号参 数测试条件最小典型最大单位VOS输入失调电压V =15V，T =25S A3075VIOS输入失调电流T =25A0.42.8nAIB输入偏置电流T =25A1.03.0nAVCM输入共模电压范围V =15VS11-12+15VRIN输入电

13、阻T =25J2060MIVR输入电压范围1314VCMRR共模抑制比V =13VCM110126dBVOM最大输出电压摆幅V =15V，R =10kS L12.513VSR压摆率V =15V，T =25S A0.10.3V/sGBW单位增益带宽V =15V，T =25S A0.40.6MHz超低失调电压运算放大器OP07：双电源供电3 15V。3、精密运放、精密运放3、精密运放、精密运放LTC2501：电源电压2.7 5.5V。符号参 数测试条件最小典型最大单位VOS输入失调电压V =15V，T =25S A420mVIOS输入失调电流T =25A0.120AIB输入偏置电流T =25A5.

14、420ARIN输入电阻差分模式-1VV +1VIN70k共模模式-0.2VV +2.75VCM3MCMRR共模抑制比V -0.2VV V -2.25VEE CM CC70100dBVOM最大输出电压摆幅R =150LV -VCC OH0.3VV -VOL EE0.3SR压摆率V =2V阶跃OUT600V/usGBW单位增益带宽V =20mVOUT P-P150MHz低成本、轨对轨输出、单电源供电高速运算放大器MAX40164、高速运放、高速运放4、高速运放、高速运放5、高电压、高电流运放、高电压、高电流运放OPA548：单电源供电+8+60V，双电源供电4 30V。第1章 基于集成运放的放大电

15、路设计 集成运放的选择 无特殊要求：选通用运算放大器 一个电路包含多个运放：选双运放、四运放 对功耗有限制：低功耗运放 有很高的输入阻抗：高输入阻抗运放 系统要求精密：高精密、低漂移、低噪声运放 系统工作频率较高：高速及宽带运放 较大负载：功率运放运放选择步骤 供电电源电压。根据运放输出电压范围，选择运放电源电压。 带宽。小信号（VPP1V）时，考虑运放的增益带宽积GBW。 转换速率。大幅信号输出时应考虑运放的压摆率SR。 精度。虽然失调电压可以通过外部电路校正，但选用失调电压较小的运放可以降低设计难度。元器件DATASHEET搜索网址 http:/ TI运放搜索网址 http:/ 基于集成运

16、放的放大电路设计1.5 正确使用集成运算放大器1. 供电电源的去耦 大容量的电容用作低频滤波，小容量的电容因其对高频信号形成低阻抗通路，从而起到高频滤波作用。第1章 基于集成运放的放大电路设计1.5 正确使用集成运算放大器2.地线连接原则地线连接总的原则是：地线应短而宽，数字地和模拟地分开，并且在同一个点连接。第1章 基于集成运放的放大电路设计1.5 正确使用集成运算放大器3.输入保护电路输入保护电路R1D1D2voR2RPVEEAviR1D1D2AviVCC第1章 基于集成运放的放大电路设计1.5 正确使用集成运算放大器4.单电源运放的使用单电源运放的使用双电源工作单电源工作第1章 基于集成

17、运放的放大电路设计1.5 正确使用集成运算放大器4.单电源运放的使用单电源运放的使用虚拟地虚拟地单电源虚拟地第1章 基于集成运放的放大电路设计1.5 正确使用集成运算放大器4.单电源运放单电源运放交流耦合交流耦合增益可调运放- VCA810 TI的VCA810，在40dB的增益可调范围内拥有35MHz的恒定带宽。增益可调运放- VCA810增益可调运放- VCA810其它增益可调运放 VCA820 (150MHz,-20dB+20dB) VCA822 (150MHz,-20dB+20dB)其它增益可调运放 VCA820 (150MHz,-20dB+20dB)其它增益可调运放 VCA822 (150MHz,-20dB+20dB)输出电压峰峰值VOPP不小于20V。设计训练一.TSC输入Vpp=20mV,f=40kHz时的输出：设计训练一2.TSC输入Vpp=20mV,f=40kHz时的输出：设计训练一3.TSC输入Vpp=20mV,f=40kHz时的输出：设计训练题三宽带放大器的设计采用两种集成运算放大器芯片A和B，设计一个固定增益带宽放大器，框图如下图所示。设计要求如下：电压增益为40dB, 误差小于5%;3dB带宽010MHz;输入阻抗1k欧；最大输出电压峰峰