第三讲-放大器应用问题

第三讲-放大器应用问题第一页，共103页。运算放大器的供电问题噪声静态OpAmp的限制动态OpAmp的限制内容提要第二页，共103页。运算放大器需要外部提供电源给晶体管内部提供偏置通过运算放大器将电源给输出负载和反馈网络供电3.1

运算放大器的供电问题第三页，共103页。运算放大器外部电源一般来说模拟电路：VCC=+15vVEE=-15v模数混合电路：VCC=+5vVEE=0v第四页，共103页。运算放大器外部电源的接法仿真电路：虚拟器件管脚实际运算放大器电路：每块IC片子的电源管脚都必须利用低感抗的电容器对地旁路。第五页，共103页。作用：防止存在于电源线中干扰运算放大器地交流噪声。这些解耦电容器也有助于中和掉来自电源线和地线的非零电抗所形成的虚假反馈环路，这些环路可能造成稳定性问题。第六页，共103页。具体接法：电源电压入口电接10极化电容器。利用宽地线有助于保持纯净的参考地。电容器应尽量靠近运算放大器管脚。第七页，共103页。输出饱和电源电压VCC和VEE设定了运算放大器在输出上下摆动能力的边界。第八页，共103页。对于双极性运放大器，VOH和VOL一般低于VCC和VEE几个pn结压降，大约2V。即对于对称±15V电源来说，饱和电压也近似为对称的±13V。对于单电源供电的运算放大器，例如VCC＝9V和VEE＝0V，VOH≈7V，VOL≈2V。第九页，共103页。动态输出范围：与运算放大器型号有关与运算放大器不同样件有关，这是因为生产过程的变化，温度漂移和输出负载变化等因素造成的，具体可参阅产品说明书。

在低电源电压供电系统中，就需要运算放大器有最大的动态输出范围。称之为跷跷板（rail-to-rail）式的运算放大器，被设计成在中等输出负载下，使vo一直摆动上至VCC和和下至VEE。第十页，共103页。混合数字－模拟系统通常信号是限制在0V-5V范围内的。对于所有模拟源和负载的终端条件下，就会需要一个在的参考电压，据此就容许对这个公共参考点有对称的电压摆动。第十一页，共103页。第十二页，共103页。例：利用741实现的反相放大器，A＝-2，现受一个±10V峰－峰值的三角波驱动，概略画出vI,vO和vN对时间的波形并进行标注。第十三页，共103页。

当-6.5V＜vI＜＋6.5V时，运算放大器工作在线性区

放大倍数是2，输出范围为±20V，部分饱和

输出范围-13V～＋13V第十四页，共103页。

当vI＜－6.5V时，，电路特性与vI

＞＋6.5V的情况是对称的。

当vI＞＋6.5V时，嵌位输出波形第十五页，共103页。3.2

噪声

噪声通常是指任何会污损或干扰所关心信号的不希望的扰动。直流噪声：偏置电流和输入失调电压引起的失调误差等交流噪声：外部噪声（干扰噪声）

内部噪声（固有噪声）第十六页，共103页。干扰噪声的产生

是由于电路和外界之间，甚至是电路自身的不同部分之间多余的相互作用产生的。

电的相互作用和磁的相互作用，是通过相邻电路之间或同一电路的相邻部分之间的寄生电容和互感产生的。

电磁干扰的出现因为每根导线和引线都构成一个潜在的天线。外部噪声也可能会在无意间通过接地总线和供电电源总线进入电路。

干扰噪声可以是周期的，间歇的或完全随机的。第十七页，共103页。固有噪声的产生

尽管能够设法消除干扰噪声，电路总会存在固有噪声。这种噪声形式本质上就是随机的。

它源于各种随机现象。例如，电阻中电子的热运动，半导体中电子空穴对随机地产生和重组等。第十八页，共103页。信噪比

表示在噪声存在条件下信号的质量，SNR越差，就越难从噪声中恢复有用信号。信号的均方根（rms）值噪声分量的rms值第十九页，共103页。噪声源热噪声

热噪声也成约翰逊噪声，存在于包括实际电感和实际电容的杂散串联电阻在内的所有无源电阻元件中。

热噪声主要是由电子的随机热运动所产生的，它不受直流电流的影响，因此电阻甚至是静放在任何地方也会产生热噪声。第二十页，共103页。散粒噪声

无论何时对一个势垒（如二极管或晶体管）充电，都会产生散粒噪声。穿过势垒完全是一个随机事件。

闪烁噪声也称为噪声或接触噪声。它存在于所有有源器件和某些无源器件中。闪烁噪声第二十一页，共103页。根据器件类型的不同，产生闪烁噪声的原因是多方面的。在有源器件中，主要原因是陷阱。当电流流过时，它会随机地捕获和释放电荷载流子，因此会引起电流本身随机的波动。闪烁噪声也存在于某些无源器件中，在炭质电阻中，除了已存在的热噪声外还含有闪烁噪声，因此这种噪声称为附加噪声。然而热噪声在没有直流电流的情况下也可能存在，而闪烁噪声要求有直流电流才存在。第二十二页，共103页。雪崩噪声

雪崩噪声存在于工作在反向击穿模式的pn结中。与散粒噪声类似，雪崩噪声也要求有电流流动。

除雪崩噪声以外，晶体管一般含有以上所有噪声。BJT噪声第二十三页，共103页。热噪声对于BJT来说，噪声的功率密度本征基极电阻直流基极电流和集电极电流跨导适当的器件常数正向电流增益（它会在高频下降）热噪声集电极电流散粒噪声的影响基极电流散粒噪声和闪烁噪声反映到输入端的集电极电流散粒噪声第二十四页，共103页。OpAmp噪声运算放大器的噪声可用三个等效的噪声源来表征两个密度为和的电流源一个频谱密度为的电压源一个频谱密度为的电压源

实际的放大器看成是一个输入端配上三个这种噪声源的无噪声放大器第二十五页，共103页。电阻反馈电路的噪声模型关注总rms的输出噪声Eno，将它换算到输入端与有用信号进行比较，从而确定信噪比SNR。第二十六页，共103页。总输入频谱密度具有对称输入端和不相关噪声电流的运算放大器

是数据单中给出的噪声电流密度总输入频谱密度可使第二十七页，共103页。短路噪声开路噪声由运算放大器内部元件产生，与外部电路无关由输入偏置电流流过外部电路造成第二十八页，共103页。输出噪声频谱密度rms输出噪声集成电路的噪声主要是由白噪声和噪声混合而成。低频噪声其主要作用，高频白噪声起主要作用，并且频带越宽，噪声就越大是白噪声电平是边界频率第二十九页，共103页。低噪声设计中需要考虑的问题选择具有低噪声电平和低边界频率的运算放大器保持外部电阻足够小，以使电流噪声和热噪声与电压噪声相比可以忽略把噪声增益带宽严格限制在要求的最小值上第三十页，共103页。例：将741运算放大器连接成反向放大器，且已知求大于0.1Hz的总输出噪声rms值。解：输入一个峰值幅度为0.5V的交流信号，求电路的SNR。第三十一页，共103页。噪声电压分量电流噪声分量热噪声分量第三十二页，共103页。总的输出噪声rmsSNR对于噪声来说，和远大于，可通过缩小所有电阻值来改善电路性能。第三十三页，共103页。低噪声OpAmp运算放大器噪声特性中的品质因素有白噪声电平和，频率和，他们的值越低，运算放大器的噪声就会越少。差分输入对噪声适当选择晶体管型号，几何尺寸和工作电流可以使差分输入对产生的噪声最小。第三十四页，共103页。用户是无法控制运算放大器的噪声特性的，然而，大致理解这些特性是如何产生的，有助于器件的选择过程。电压噪声和电流噪声非常依赖于输入级差分晶体管对的制造工艺和工作条件。电压噪声还会受输入对的负载和第二级的影响。当后面各级产生的噪声换算到输入端时，它的值通常是很小的，这是因为要将这个噪声除以所有正向通路上的总增益。第三十五页，共103页。输入级中间级输出级偏置电路uPuNuO

集成运放电路方框图集成运放的电路结构特点第三十六页，共103页。一、输入级：采用差分放大电路，两个输入端，减少温漂。二、中间级：提供较高的电压放大倍数，共射放大电路，复合管放大，有源负载，放大上千倍。第三十七页，共103页。三、输出级：提供一定的电压、电流变化幅度，互补对称输出，带负载能力强。四、辅助环节：偏置电路（提供各级静态电流）；电平偏移电路（调节各级电压配合，使输入端对地电压为0时，输出端对地电压也为0）；短路保护（输出端短路时保护管子）。第三十八页，共103页。通用型集成运放F007电路原理图第三十九页，共103页。四、采用复合管改善单管的性能。结构特点：一、不能做大C、L，只能采用直接耦合方式。二、为克服温漂，输入级采用差分放大电路。三、用管子构成的恒流源代替大R及设置Q。五、中间级多采用共射放大电路。六、输出级多采用互补式电压跟随电路。第四十页，共103页。直接耦合放大电路的零点漂移现象零点漂移现象：输入电压为零，输出电压不为零且缓慢变化的现象。产生的原因：由于温度变化引起半导体参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因此也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。输入级采用差分电路的原因：第四十一页，共103页。抑制温漂的方法：在电路中引入直流负反馈。利用热敏元件抵消放大管的变化。采用差分放大电路。第四十二页，共103页。典型的差分放大电路

差动放大电路原理合理选择Re的阻值，并与电源VEE相配合，就可以设置合适当静态工作点。第四十三页，共103页。差动的含义：只有当两个输入端之间有差别，输出电压才有变动。差动放大器具有抑制共模信号放大差模信号的特性。温漂和噪声等效成共模信号被抑制。第四十四页，共103页。共模放大倍数差模放大倍数共模抑制比第四十五页，共103页。改进的差分放大电路增大Re能有效抑制每一边电路的温漂，提高共模抑制比。为既能采用较低的电源电压，又能有很大的等效电阻Re，采用恒流源电路取代Re。第四十六页，共103页。差动放大电路的四种接法双端输入，双端输出双端输入，单端输出单端输入，双端输出单端输入，单端输出第四十七页，共103页。单端输入，在差模信号输入的同时，伴随共模信号的输入。与输出方式有关。第四十八页，共103页。实例分析差分放大电路开关向左典型的差动放大电路开关向右改进的差动放大电路第四十九页，共103页。连接规则1、连接＋和common端子输出正极性信号，幅值等于信号发生器有效值。2、连接common和－端子输出负极性信号，幅值等于信号发生器有效值。双端输入函数信号发生器的面板第五十页，共103页。连接规则3、连接＋和－端子输出信号的幅值等于信号发生器有效值的两倍。4、连接＋、common和－端子，且common端与地相连输出两个幅度相等，极性相反的信号。函数信号发生器的面板第五十一页，共103页。信号源的接入信号源设置双端接入电路图第五十二页，共103页。

Simulate—Analyses—TransientAnalysis

瞬态分析菜单第五十三页，共103页。

瞬态分析设置第五十四页，共103页。电压峰峰值差单端输出电压放大倍数瞬态分析结果第五十五页，共103页。增添分析变量第五十六页，共103页。电压峰峰值差双端输出电压放大倍数分析结果第五十七页，共103页。后处理功能后处理第五十八页，共103页。后处理方法第五十九页，共103页。后处理分析结果第六十页，共103页。单端输入单端输入差动放大器电路第六十一页，共103页。电压峰峰值差单端输出电压放大倍数瞬态分析结果第六十二页，共103页。分析结果电压峰峰值差双端输出电压放大倍数第六十三页，共103页。典型差动放大电路共模输入第六十四页，共103页。瞬态分析结果瞬态分析结果第六十五页，共103页。电压峰峰值差双端输出共模放大倍数分析结果第六十六页，共103页。分析结果电压峰峰值差双端输出共模放大倍数改进差动放大电路共模输入分析结果第六十七页，共103页。低噪声运算放大器设计时，差分对BJT采用条状（长且狭窄的发射级两端都被基极接点包围）实现的，使最小。当应用要求大外部电阻时，FET输入运算放大器是较好的选择，这是因为FET输入级运算放大器的噪声电流电平比BJT输入运算放大器的噪声电流电平的几个数量级，至少在室温附近是这样的。对MOSFET来说，1/f噪声也是一个重要因素，使用大面积器件可降低1/f噪声分量。第六十八页，共103页。输入对负载噪声另一个重要的噪声源是差分输入对的负载，通用放大器中这个负载是用镜像电流源有源负载来实现的，以使增益最大。然而有源负载的噪声很大，这是因为它们会放大自身的噪声电流，低噪声运算放大器采用电阻性负载输入级避免这个问题。第六十九页，共103页。3.3静态OpAmp的限制只要运算放大器工作在恰当的频段和适度的直流增益下，实际工作特性和基于理想运算放大器模型预计的特性都会相当一致。第七十页，共103页。最关键的限制之一是开环增益只从直流到几赫兹的范围是高的，随着频率增加而降低。尽管可将工作频率保持在一个相对较低的水平，另一些限制仍然会起作用。这些限制在高直流增益应用场合尤其值得注意，一般统称为输入参考误差，最常用的包括：输入偏置电流输入失调电压输入失调电流交流噪声密度和共模抑制比增益非线性度第七十一页，共103页。输入偏置电流和输入失调电流实际的运算放大器在它们的输入管脚都会吸收少量电流，对于某些应用，这些电流可能会产生值得注意的误差。输入偏置电流输入失调电流的幅度量级通常比小。的极性取决于输入晶体管的类型，而的极性则取决于失配方向。第七十二页，共103页。由和引起的误差很多电路一旦将它们的有源输入都置为零的话，都可以简化为下图的形式。这些电路包括反相放大器、同相放大器，求和和差分放大器，I-V转换器等。同相输入端电压误差第七十三页，共103页。没有任何输入信号，电路仍产生某个输出，称之为输出直流噪声。由上式得出的结论电路产生的可考虑为某个输入误差或称之为输入直流噪声经放大倍而得到的，这个放大倍数称为直流噪声增益。误差由两部分组成：由流经所产生的电压降；由流经组合所产生的电压降。既然这两部分的极性相反，那么它们就有互为补偿的趋势。第七十四页，共103页。将变形为：若设：可以消去含有的项，误差为：第七十五页，共103页。使，误差正比于，它的幅度量级一般要比和小。采用具有足够低的标称值的运算放大器。通过缩小所有的电阻可以进一步降低，缩小电阻不会影响增益，但可以使输入误差缩小，然而缩小电阻会增加功率耗散，因此需要进行某种折衷。为使由和引起的误差最小第七十六页，共103页。输入失调电压将运算放大器输入短接由于输入级两部分之间存在失配为使必须在输入管脚之间加入一个合适的校正电压第七十七页，共103页。由引起的误差

的取值可在毫伏到微伏范围上变化。

对时间的积分得到的电压斜坡可将运算放大器驱动到饱和状态。第七十八页，共103页。研究和同时作用时的影响输入失调误差补偿反相放大器同相放大器第七十九页，共103页。信号增益直流噪声增益输入的总失调误差输出的总失调误差因为和极性是任意的，负号并不意味着这两项有相互补偿的趋势。第八十页，共103页。失调调零内部失调调零内部调零基于故意使输入级失衡，以补偿固有失配，并使误差为零。第八十一页，共103页。外部失调调零外部调零基于将可调的电压和电流注入到电路中，以补偿电路的失调误差。第八十二页，共103页。最大额定值与所有电子器件类似，运算放大器要求用户考虑到某些电的和环境的限制。运算放大器额定值的工作温度范围商用范围：0～＋70℃工业范围：-25～＋85℃军用范围：-55～＋125℃第八十三页，共103页。绝对最大额定值：最大供电电压最大差模输入电压最大共模输入电压最大内部功率耗散第八十四页，共103页。3.4动态OpAmp的限制

实际运算放大器只从直流到给定频率范围之内提供高增益，增益随着频率增加而降低，并且输出相对输入还会有一个延时，这些限制对电路的闭环特性有很大的影响。单位增益频率上升时间闭环带宽增益带宽乘积全功率带宽转换速率建立时间第八十五页，共103页。开环响应最常见的开环响应是所谓的主极点响应主极点频率运算放大器的开环响应开环直流增益第八十六页，共103页。开环-3dB频率，也称为开环带宽。=0dB称为单位增益频率是常数。主极点补偿的运算放大器为恒定GBP运算放大器。第八十七页，共103页。闭环响应环路增益T依赖于频率将会使闭环响应A也依赖于频率同相放大器第八十八页，共103页。化简为的形式反馈因子利用第八十九页，共103页。单位增益频率闭环增益的直流增益是，－3dB频率是，也称为闭环带宽。同相放大器的增益带宽乘积由此可得增益带宽权衡，负反馈将增益降低，但是将带宽扩展。这种扩频带技术是负反馈的一个重要优点。第九十页，共103页。反相放大器反馈因子反相放大器的增益带宽乘积这个值低于同相放大器的GBP，从带宽最大的角度来看，同相放大器显然更加可取。第九十一页，共103页。暂态响应以电压跟随器为例，电压跟随器的小信号带宽是，可将其频率响应写为：从的10％上升到它的90％所用的时间称为上升时间。这表明了时域参数与频域参数的联系，越高就越小。第九十二页，共103页。转换速率极限SR:表示集成运放对信号变化速度的适应能力指标。当输入信号变化斜率的绝对值小于SR（伏特/微秒）时，输出电压才能按线性规律变化。

增大，为了能使输出在内完成从10％到90％的过渡，输出响应速率也会相应增大。在实际中发现，当输入阶跃大于某个阶跃幅值时，输出斜率就会在某一个常数处饱和，这个常数称为转换速率SR。第九十三页，共103页。建立时间上升时间和转换速率分别在小信号和大信号条件下，显示了输出变化的快慢程度，在许多应用中，最关心的参数时建立时间。的定义为：大输入阶跃响应从原点出发一直到开始稳定并保持在一个给定的误差范围内所需的时间。一般规定建立时间要达到10V输入阶跃响应的0.1％和0.01％的精度。如AD843运算放大器对10V阶跃的0.01％的精度来说，一般＝135ns。第九十四页，共103页。由4个时间段组成

由高阶极点引起的初始传输延迟

受SR限制的变化过程

从与SR相关的过载状态中恢复过程

最终平衡值的建立过