放大电路设计

1、贾立新课程简介课程简介 本课程是针对自动化、电子信息本科专业开设的一门大本课程是针对自动化、电子信息本科专业开设的一门大类基础课程。它是一门理论联系实际、综合性较强的实践课类基础课程。它是一门理论联系实际、综合性较强的实践课程，是对模电、数电、程，是对模电、数电、EDA技术、单片机原理等基础课程知技术、单片机原理等基础课程知识的拓宽、提高和综合应用。识的拓宽、提高和综合应用。 掌握模拟集成电路、掌握模拟集成电路、CPLD/FPGA、SOC单片机的等常单片机的等常用集成器件的工作原理和应用，掌握常用单元电路的工作原用集成器件的工作原理和应用，掌握常用单元电路的工作原理和设计方法，掌握运用现代设计

2、工具完成综合电子系统的理和设计方法，掌握运用现代设计工具完成综合电子系统的设计和调试方法，掌握电子设计文档的规范化写作方法，培设计和调试方法，掌握电子设计文档的规范化写作方法，培养学生解决实际工程问题能力和相互协作的精神。养学生解决实际工程问题能力和相互协作的精神。授课计划授课计划电子系统的组成与类型电子系统的组成与类型 由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体都可以称为电子系统。号及信息的客观实体都可以称为电子系统。 根据电子系统的功能不同，可以分为以下几种类型：根据电子系统的功能不同，可以分为以下几种类型：（1）测控

3、系统；）测控系统；（2）测量系统；）测量系统；（3）数据处理系统；）数据处理系统；（4）通信系统；）通信系统；（5）计算机系统；）计算机系统；（6）家电系统。）家电系统。电子系统的设计过程电子系统的设计过程确定设计任务确定设计任务总体设计总体设计硬件设计与调试硬件设计与调试软件设计与调试软件设计与调试整机联调整机联调资料整理资料整理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、信号处构成信号的产生、信号的变换、信号处理等各种各样的模拟基本单元。理等各种各样的模拟基本单元。第第1 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.

4、1.理想运算放大器的模型理想运算放大器的模型（1）开环增益开环增益AVO；（2）输入电阻）输入电阻ri= ；（3）输出电阻）输出电阻ro=0；（4）频带宽度）频带宽度f=；（5）共模拟制比）共模拟制比KCMR=；（6）失调漂移、内部噪声均为）失调漂移、内部噪声均为0。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）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vD=vP-vN（5）单位增益带宽。）单位增益带宽。741运算放大器的运算放大器的rd=2M，AVO=200V/mV，ro=75。 1.1.比例放大器比

5、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.加法电路加法电路f2211oRRvRvv）（加法电路的应用加法电路的应用D/A转换器双极性输出转换器双极性输出 1o2V5vvD/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.基本差分放大电路基本差分放大电路 （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，又有共模信号。很多传感器的输出信号既有差模信号，又有共模信号。 vd表示差模电压，它是有用信号。表示差模电压

6、，它是有用信号。vC表示共模电压，它携表示共模电压，它携带的信号对测量没有用处，且会降低测量精度。带的信号对测量没有用处，且会降低测量精度。 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）专用差分放大器）专用差分放大器-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

7、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.仪表放大器仪表放大器 基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪表放大器可克服上述缺点表放大器可克服上述缺点方案一：采用方案一：采用集成运放集成运放构成的仪表放大器构成的仪表放大器 。）（1212o21vvRRv5.仪表放大器仪表放大器 基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪表放大器可克服上述缺点。表放大器可克服上述缺点。方案一：采用方案一：采用IN132构成的仪表放大器构成的仪表放大器 。31VD2G2

8、(1)RRARR 5.仪表放大器仪表放大器方案二：采用方案二：采用IN132构成的仪表放大器构成的仪表放大器 。）（1212o21vvRRv5.仪表放大器仪表放大器方案三：采用单片集成仪表放大器方案三：采用单片集成仪表放大器INA333 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；供电电源供电电源+1.8V +5.5V；VG100k1AR 5.仪表放大器仪表放大器 例：利用电阻电桥测量一个未知电阻的阻值，电桥电路例：利用电阻电桥测量一个未知电阻的阻值，电桥电路如图所示。假设电阻如图所示。假设电阻Rt的变化范围为的变化范围为2200。采用仪表放。采用仪表放大器设计信号调理电路，使电阻

9、从大器设计信号调理电路，使电阻从2200变化时，对应的变化时，对应的输出电压为输出电压为0V2.4V。5.5.仪表放大器仪表放大器（1）确定仪表放大器增益）确定仪表放大器增益2121002.5V2.5V=24.75mV10000100RVRRt(max)(max)3t(max)2002.5V2.5V=49.02mV10000200RVRRt(min)(min)3t(min)22.5V2.5V=0.5mV100002RVRR电桥输出的差模信号变化范围为电桥输出的差模信号变化范围为-24.25mV到到24.27mV。 5.5.仪表放大器仪表放大器（1）确定仪表放大器增益）确定仪表放大器增益电桥输出

10、的差模信号变化范围为电桥输出的差模信号变化范围为-24.25mV到到24.27mV。 V2.4 100049.4624.2724.25A当当RG为为2.06k时，仪表放大器的增益为时，仪表放大器的增益为49.46 5.5.仪表放大器仪表放大器（2）确定仪表放大器直流偏移量）确定仪表放大器直流偏移量当当Rt=2时，差模信号为时，差模信号为-24.25mV调节调节RP2使使VREF=1.2V，则当，则当Rt=2时，时，VO=0VOREFV()vVAVVOV()49.46 ( 24.25mV)1.199VvAVV 5.5.仪表放大器仪表放大器AD620应用应用心电（心电（EGC）检测仪）检测仪1.3

11、 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：输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响 PPPRIV1PP1P1RRIRVIN1PPN12IRRIIIIN2PP12PP121NPPPP2N1PPPP22o1IRIRRRRIRRRIRIRIRIRRIRIRIv）（）（）（/1PPN2

12、1120IRIRRRRE）（）（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 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

13、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

14、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（S

15、lewing 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）1.4 集成运放的分类与选择集成运放的分类与选择集成运放可分为以下几类：集成运放可分为以下几类：（1）通用型；）通用型；（2）高阻型；）高阻型；（3）精密型；）精密型；（4）高速宽带型；）高速宽带型；（5）高电压、高电流型。）高电压、高电流型

16、。（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

17、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、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。

18、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=13V110126dBVOM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

19、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=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

20、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，RF=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

21、，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

22、件代替直插元件，以改善高频特性；采用表面贴装元件代替直插元件，以改善高频特性；避免使用集成电路插座，因为它增加寄生电容和电感；避免使用集成电路插座，因为它增加寄生电容和电感；PCB板至少采用两层，过板至少采用两层，过孔孔尽量少；尽量少；PCB板的信号线尽量短、尽量直，不采用板的信号线尽量短、尽量直，不采用900转角。转角。 工作频率工作频率020kHz,增益在增益在080dB步进步进1dB,全全频范围共模抑制比在频范围共模抑制比在80dB以上，可以数字设置步以上，可以数字设置步进，并显示增益。进，并显示增益。设计练习设计练习可编程放大器的设计可编程放大器的设计思考题思考题 要设计一个放大倍数为

23、要设计一个放大倍数为-10倍的信号放大电路，问如下倍的信号放大电路，问如下电路设计是否正确：电路设计是否正确：326R11R210ViVo 答：答：理论上理论上Vo = -(R2/R1)Vi = -10 Vi，但普通运放无法提，但普通运放无法提供供R2回路所需的电流，即回路所需的电流，即I2 = Vo/R2 1/10 = 100mA；改进设计，将改进设计，将R1、R2分别取为分别取为1M和和10M，问如下电，问如下电路设计是否正确：路设计是否正确： 答：答： R1、R2分别取为分别取为1M和和10M 后，解决了普通运放无后，解决了普通运放无法提供法提供R2回路所需的电流的问题，但带来的另一个问

24、题是：回路所需的电流的问题，但带来的另一个问题是：电阻阻值过大时，其阻值容易受环境影响，进而影响放大电电阻阻值过大时，其阻值容易受环境影响，进而影响放大电路增益的稳定性。路增益的稳定性。326R11MR210MViVo 再改进设计，将再改进设计，将R1、R2分别取为分别取为1k和和10k，并添加条，并添加条件，输入为件，输入为-0.5V+0.5V变化的信号，问如下电路设计是变化的信号，问如下电路设计是否正确：否正确： 答：答： 输入输入Vi和输出和输出Vo都是双极性信号，正负电压都有都是双极性信号，正负电压都有可能出现，要求运放也是双极性供电。可能出现，要求运放也是双极性供电。326R11kR

25、210kViVo+5V（-0.5V+0.5V）（+5V-5V） 再改进设计，将供电电源改为再改进设计，将供电电源改为5V双电源供电，问如双电源供电，问如下电路设计是否正确：下电路设计是否正确： 答：答： 电源采用电源采用5V双电源供电后，输入双电源供电后，输入Vi没问题，但没问题，但输出输出Vo将达不到将达不到5V，会出现削顶（平顶）现象。可改用，会出现削顶（平顶）现象。可改用轨到轨（轨到轨（ Rail-to-Rail ）运放，或改变供电电源的电压值。）运放，或改变供电电源的电压值。326R11kR210kViVo+5V（-0.5V+0.5V）（+5V-5V）-5V 再改进设计，将供电电源改为再改进设计，将供电电源改为12V双电源供电，并添双电源供电，并添加条件，如果输入为频率加条件，如果输入为频率fi = 0100kHz的信号，问如下电的信号，问如下电路设计是否正确？路设计是否正确？ 答：该电路输入答：该电路输入100kHz信号时，要求运放的摆率信号时，要求运放的摆率SR2fVo = 3.14V/s；增益带