运算放大器的基础知识.pdf

《运算放大器的基础知识.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运算放大器的基础知识.pdf（54页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、DAVID KRESS 技术营销总监 运算放大器基本原理 模拟转电子信号处理 传感器 （输入） 数字处理器 放大器转换器 执行器 （输出） 放大器转换器 模拟转电子信号处理 传感器 （输入） 数字处理器放大器转换器 放大器转换器 执行器 （输出） 放大器和运算放大器 放大器 将低电平、高源阻抗信号转换成高电平、低源阻抗信号 运算放大器、功率放大器、射频放大器、仪表放大器等 多数复杂的放大器都是通过组合运算放大器构建的 运算放大器 三端器件（加电源） 将输入端的小信号在输出端放大成超大信号 运算放大器 工作 运算放大器可以利用反馈网络以多种方式进行配置，以便对输入信号进行“运算” “运算”包括正

2、/负增益、滤波、非线性传递函数、比较、求和、减法、基准电压缓 冲、差分放大、积分、差分等 应用 模拟设计的基本构建模块 传感器输入放大器 简单和复杂滤波器抗混叠 ADC驱动器 Philbrick Research于1953年推出的原始真空管运算放大器 使用+/- 300V电源 0.1 英寸 （以上所有封装的缩放比例相同） 8-SOICmSOICMSOP8SOT-23SC-70 14-SOIC SOT-23 SC-70 一些现代IC运算放大器封装的相对大小 AD823 JFET输入运算放大器的简化原理图 INPUTS +VS -VS Q57 A=19 Q44 A=1 Q43 Q58 Q62 R4

3、4 S1NS1P VB Q49 Q61Q72 J6J1 Q48 Q35 Q53 I1 Q56 Q59 A=1 Q17 A=19 OUTPUT Q60 R28 (-) (+) VBE + 0.3V 偏置电流 = 25pA（最大值） +25C 输入失调电压 = 0.8mV（最大值，+25C） 输入电压噪声 = 15nV/ Hz 输入电流噪声 = 1fA/ Hz 标准运算放大器符号 INPUTS (+) (-) INPUTS (+) (-) 理想运算放大器及其特性 OP AMP OP AMP INPUTS: OP AMP OUTPUT: High Input Impedance Low Bias C

4、urrent Respond to Differential Mode Voltages Ignore Common Mode Voltages Low Source Impedance IDEAL OP AMP ATTRIBUTES: Infinite Differential Gain Zero Common Mode Gain Zero Offset Voltage Zero Bias Current OUTPUT POSITIVE SUPPLY NEGATIVE SUPPLY INPUTS (+) (-) 运算放大器电路设计 使用负反馈 输出信号或其一个受控部分反馈到负(-)输入端 运

5、算放大器会调整输出信号，直至输入差值变为0 高增益示例 假设运算放大器增益为106（一百万） 将1 V信号施加于正输入端 反馈信号直接从输出端送至负输入端 输出将变为1 V（-1 V） 输入差值将是1 V 同相模式的运算放大器级 VIN VOUT OP AMP RF RG G = VOUT/VIN = 1 + (RF/RG) 反相模式的运算放大器级 VIN = - RF/RG VOUT OP AMP RFRG G = VOUT/VIN SUMMING POINT 运算放大器减法器或差动放大器 VOUT= (V2 V1) R2 R1 R1R2 _ + V1 V2 VOUT R1R2 R2 R1

6、= R2 R1 R2 R1 CRITICAL FOR HIGH CMR 0.1% TOTAL MISMATCH YIELDS 66dB CMR FOR R1 = R2 CMR = 20 log10 1 + R2 R1 Kr Where Kr = Total Fractional Mismatch of R1/ R2 TO R1/R2 EXTREMELY SENSITIVE TO SOURCE IMPEDANCE IMBALANCE REF 这种配置中，两个输入引脚都有信号驱动 其中，Kr = R1/R2与 R1/R2的总小数不匹配 对高CMR至关重要 对源阻抗不平衡极端敏感 0.1%总不匹配

7、66dB CMR（R1 = R2时） 高共模电流检测 使用AD629差动放大器 VCM = 270V for VS = 15V 单极点运算放大器有源滤波器 (A) LOWPASS (B) HIGHPASS + - + - 运算放大器的主要性能特性 带宽和压摆率 运算放大器的速度 带宽为运算放大器的最高工作频率 压摆率为输出的最大变化率 取决于所需信号频率和增益 失调电压和电流 运算放大器的误差 决定测量精度 噪声 运算放大器噪声限制了在保真度良好的情况下可以放大的最小信号 开环增益（波特图） OPEN LOOP GAIN dB OPEN LOOP GAIN dB 6dB/OCTAVE6dB/O

8、CTAVE 12dB/ OCTAVE OPEN LOOP GAIN dB OPEN LOOP GAIN dB 6dB/OCTAVE6dB/OCTAVE 12dB/ OCTAVE 增益带宽积 GAIN dBOPEN LOOP GAIN, A(s) IF GAIN BANDWIDTH PRODUCT = X THEN Y fCL= X fCL= X Y WHERE fCL= CLOSED-LOOP BANDWIDTH LOG f fCL NOISE GAIN = Y Y = 1 + R2 R1 GAIN dBOPEN LOOP GAIN, A(s) IF GAIN BANDWIDTH PRODUC

9、T = X THEN Y fCL= X fCL= X Y WHERE fCL= CLOSED-LOOP BANDWIDTH LOG f fCL NOISE GAIN = Y Y = 1 + R2 R1 噪声增益 + - IN + - + - AB C R1 R2 IN R1 R2 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1 Noise Gain = 1 + R2 R1R3 Voltage Noi

10、se and Offset Voltage of the op amp are reflected to the output by the Noise Gain. Noise Gain, not Signal Gain, is relevant in assessing stability. Circuit C has unchanged Signal Gain, but higher Noise Gain, thus better stability, worse noise, and higher output offset voltage. IN AB C R1 R2 IN R1 R2

11、 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = Noise Gain = 1 + R2 + - IN + - + - AB C R1 R2 IN R1 R2 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1 Noise Ga

12、in = 1 + R2 R1R3 IN AB C R1 R2 IN R1 R2 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = Noise Gain = 1 + R2 + - IN + - + - AB C R1 R2 IN R1 R2 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1 Noise Gain = 1

13、 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1 Noise Gain = 1 + R2 R1R3 Voltage Noise and Offset Voltage of the op amp are reflected to the output by the Noise Gain. Noise Gain, not Signal Gain, is relevant in assessing stability. Circuit C has unchanged Signal Gain, but higher Noise Gain, thus better stability, wo

14、rse noise, and higher output offset voltage. IN AB C R1 R2 IN R1 R2 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = Noise Gain = 1 + R2 + - IN + - + - AB C R1 R2 IN R1 R2 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal G

15、ain = - R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = - R2/R1 Noise Gain = 1 + R2 R1R3 IN AB C R1 R2 IN R1 R2 R2 R1 IN Signal Gain = 1 + R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = R2/R1 Noise Gain = 1 + R2/R1 Signal Gain = Noise Gain = 1 + R2 运算放大器的电压噪声和失调电压通过噪声增益反映到输出端。 噪声增益（而非信号增益）与稳定性评估有关。 电路C的信号增益不

16、变，但噪声增益更高，因此稳定性更好，噪声性能 更差，输出失调电压更高。 AD847开环增益 AD8051相位余量 标准输入级（差分对） VINVIN PNP输入级 +VS -VS +VS -VS 复合输入级 +VS -VS +VS -VS 输出级。标准配置的发射极跟随器和“轨到轨”配置的共发射极 +VS 共发射极 -VS 输出 发射极跟随器 VS -VS 输出 输入失调电压 - VOS u 失调电压：须向运算放大器输入端施加以产生0输出的差分电压。 u 范围： l 零漂移斩波稳定运算放大器： 1V l 通用精密运算放大器 50-500V l 最佳双极性运算放大器： 10-25V l 最佳FET

17、运算放大器： 100-1,000V l 高速运算放大器： 100-2,000V l 未调整CMOS运算放大器： 5,000-50,000V l DigiTrim CMOS运算放大器： 2kV 40V 击穿 电流 限制FET 外部解决方案 集成解决方案 典型运算放大 器 ADA4177-2 5k BAS70-4-V 5k 单电源运算放大器 u 单电源优势： l 更低功耗 l 电池供电的便携式设备 l 仅需一个电压 u 设计利弊： l 较小的信号摆幅会提高对 失调电压、偏置电流、有限 开环增益、噪声等引起的误差的敏感性 l 通常须共享高噪声数字电源 l 需要轨到轨输入和输出以提高信号摆幅 l 精度低于最好的双电源运算放大器， 但不是所有应用都要求高精度 l 许多运算放大器指定单电源，但没有 轨到轨输入或输出 谢谢观看！ ADI中国地区技术支持热线：4006 100 006 ADI中国地区技术支持信箱： ADI样片申请网址： 54