第5章1 电子系统设计 基于集成运放的放大电路设计

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

N

vDri

+

P（4）差分输入电压vD=vP-vN。+-rovOAVOvD741运算放大器的ri=2MΩ，AVO=200V/mV，ro=75Ω。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/vi=1+R2/R1反相放大器同相放大器：输入电阻大当R2=0,R1=∞时，K=1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DAC0832

VREF

Rfb

IOUT1

IOUT2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.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-+AR2

RF

抑制共模输入信号当Rf/R1=RF/R2时，vo=-(Rf/R1)*(v2-v1)共模抑制比CMRR＝差模信号放大倍数/共模信号放大倍数，是差分放大器的重要指标。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第1章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：1）、消去输入偏置电流的方法：令RP=R1//R2

注：在最新工艺的一些器件中，内部已有IB补偿电路，因此没必要用到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GBW应留有足够的裕量，一般地，GBW设计=(10~100)*GBW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SRVo

t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。

fp（max）=SR/（2πVo（max））式中，fp（max）称为全功率带宽（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峰峰值。SR=2πVo（max）*fp（max）设计时SR应留有足够的裕量，一般地，SR设计=(10~100)*SR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/μS，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/（2πVo（max））=764（kHz）

V

vo第1章基于集成运放的放大电路设计5.供电电压

轨对轨（RailtoRail）：是指输出达到或接近电源电压。非轨对轨：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

反相放大器∵vo=-(R2/R1)vi∴ii=(vi-vo)/(R1+R2)=(vi+(R2/R1)vi)/(R1+R2)=vi/R1∴ri=vi/Ii=vi/(vi/R1)=R1同相放大器∵ip=0∴ri=vi/ip=∞ip结论：同相放大器输入电阻很大。注：要使某运放的输入电阻为50Ω，若是采用反相输入，则令上图中的R1=50Ω即可；若是采用同相输入则在运放的+端与地间接50Ω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

R1R2V+i∵V-=(R1//ri)/(R1//ri+R2)VAVO=-R2/R1i=(V-V-)/R2+(V-AVOV-)/r0∴RO=V/i=r0/(1+(AVO+r0/R1+r0/ri)/(1+R2/R1+R2/ri))V-结论：闭环输出电阻R0比开环输出电阻r0小。注：若要使某运放的输出负载为50Ω，则在该运放的输出端串上50Ω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：1、双极型（Bipolar）：低失调电压、低温度漂移、高开环增益、高CMRR。2、JFET型：低IB，高输入阻抗。3、CMOS型：低电压、低功耗、轨对轨、低成本、体积小。按运放参数分类：1、通用型运放（指标适中、价格低、适用面广）：LM741、LM358、LM3242、高阻型运放3、精密运放4、高速运放5、高电压、高电流运放1、通用型运放2、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V

OS输入失调电压V=±15V，T=25℃

SA3075μVI

OS输入失调电流T=25℃

A0.42.8nAI

B输入偏置电流T=25℃

A±1.0±3.0nAV

CM输入共模电压范围V=±15V

S±11-12~+15VR

IN输入电阻T=25℃

J2060MΩIVR输入电压范围±13±14VCMRR共模抑制比V=±13V

CM110126dBV

OM最大输出电压摆幅V=±15V，R=10kΩ

SL±12.5±13VSR压摆率V=±15V，T=25℃

SA0.10.3V/μsGBW单位增益带宽V=±15V，T=25℃

SA0.40.6MHz超低失调电压运算放大器OP07：双电源供电±3~±15V。3、精密运放3、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V

OS输入失调电压V=±15V，T=25℃

SA420mVI

OS输入失调电流T=25℃

A0.120μAI

B输入偏置电流T=25℃

A5.420μAR

IN输入电阻

差分模式-1V≤V≤+1V

IN70kΩ

共模模式-0.2V≤V≤+2.75V

CM3MΩCMRR共模抑制比V-0.2V≤V≤V-2.25V

EECMCC70100dBV

OM最大输出电压摆 幅R=150Ω

LV-V

CCOH0.3VV-V

OLEE0.3SR压摆率V=2V阶跃

OUT600V/usGBW单位增益带宽V=20mV

OUTP-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4、高速运放5、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（VPP<1V）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/

TI运放搜索网址/lsds/ti_zh/analog/amplifiersandlinears/amplifiersandlinears.page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.单电源运放的使用双电源工作单电源工作第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－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－交流耦合增益可调运放VCA810TI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)VC