第一章 高性能放大器.docx

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第一章高性能放大器

第一章高性能（特殊）运算放大器

内容：

一．集成运算放大器的主要参数

二．动态校零型斩波放大器

三．仪器放大器

四．隔离放大器

五．仪器放大器和隔离放大器的应用

引言

问题1：

放大器的作用？

等效模型？

主要有哪几个参数？

问题2：

运放的基本结构？

多级直接耦合放大电路存在的主要问题？

为何采用差分输入级？

放大电路的等效模型：

主要有Ri，Ro和Avo三个参数。

还有其它一些参数如：

带宽等。

集成电路运算放大器是一种①高电压增益、②高输入阻抗和③低输出阻抗的④多级直接耦合放大电路。

它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处。

图1-1是集成运故的内部电路组成原理框图，图1-2是uA741的内部电路图。

（1）图中输入级一般是由BJT，JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和抑制零点漂移，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

（2）电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级直接耦合放大电路组成。

（3）输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

（4）偏置电路是为各级提供合适的工作电流。

此外还有一些辅助电路，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿等电路。

复习:

运算放大器理想化模型所做的几点假设是什么？

（1）

（2）

（3）

（4）

复习:

理想运放在负反馈电路中有哪两个特点？

问题1：

反相比例放大器的电路,放大倍数，反馈类型和特点，电路特点？

问题2：

同相比例放大器的电路,放大倍数，反馈类型和特点，电路特点？

问题3：

一个实际使用时的有趣问题：

下图中输出电压Vo＝？

理想运放假设：

虚短、虚断：

为了正确地挑选和使用集成运放，必须搞清它的参数的含义！

运放的分类也是根据参数的不同划分的。

基本概念：

差模信号，共模信号（下面会介绍）。

第一节集成运算放大器的主要参数

集成运算放大器的应用从最初的信号运算发展到现在几乎应用于电子技术的各个领域。

因此熟练掌握集成运放电路的分析和设计方法，是在实际工作中灵活应用运算放大器的重要基础。

1.1运算放大器的参数和型号

1.1.1运算放大器的参数

运算放大器的技术参数很多，其中部分指标与差分放大器和功率放大器相同，另一部分指标是根据运算放大器本身的特点而设立的。

通用型运算放大器的各种参数均比较适中，特殊运算放大器的某些技术指标很高，如：

高精度，高速，低噪声和高输入阻抗等。

运算放大器参数分为两大类：

静态（DC）技术指标

运算放大器的静态技术指标包括：

（1）输入失调电压VIO

一个理想的集成运故，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。

但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。

在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压Vio。

实际上指输入电压Vi＝0时，输出电压Vo折合到输入端的电压的负值，即VIO＝-（Vo|Vi=0）／Avo。

VIO的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。

VIO值愈大，说明电路的对称程度愈差，一般约为土（1～10）mv。

通用运放的数量级在±1mV～几十mV之间，精密（低漂移）运放的VIO在1μV～几十μV之间。

两种理解：

（1）输出折算到输入；

（2）输入加补偿电压！

（2）输入偏置电流IIB（IIP，IIN）（对BJT有效，对FET无效）

BJT集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。

输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，如图所示。

当Vo＝0时，偏置电流为

输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运故差分输入级BJT的性能，当它的β值太小时、将引起偏置电流增加。

从使用角度来看，偏置电流愈小，由于信号源内阻变化引起的输山电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。

一般为10nA～1μA。

（3）输入失调电流IIO

在BJT集成电路运放中，输入失调电流IIO是指当输出电压为零时流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即

由于信号源内阻的存在，IIO会引起一输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。

所以，希望IIO愈小愈好，它反映了输入级差分对管的不对称程度。

IIO愈小，输入级差分对管的对称程度越好，一般约为±（1nA～0.1µA）（IBN和IBP相差1%左右）。

一般约为1nA～0.1μA。

注意：

输入失调电压VIO和输入失调电流IIO对放大造成的误差可以通过外接调零装置来补偿。

放大器的温度漂移是造成误差的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的。

（4）输入失调电压温漂ΔVIO/ΔT

输入失调电压温漂是指在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量的比值。

它是衡量电路温漂的重要指标，不能用外接调零装置的办法来补偿。

输入失调电压温漂越小越好。

通用运放的输入失调电压温漂在±（10～20）V/℃之间，精密运放在±0.5V/℃左右。

（5）输入失调电流温漂ΔIIO/ΔT

在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值称为输入失调电流温漂。

输入失调电流温漂是放大电路电流漂移的量度，不能用外接调零装置来补偿。

高质量的运放每度变化几个pA/℃。

差模和共模信号的定义（图）：

加入差分放大器中的信号都可以分解为：

差模输入信号（两个信号大小相等，相位相反）和共模输入信号（两个信号大小相等，相位相同）。

差分信号的传输：

在RS-485双绞线通信，网络通信（数字信号传输）中也广泛的应用。

（6）最大差模输入电压Vidmax

最大差模输入电压Vidmax是指运放两输入端能承受的最大差模输入电压。

超过此电压,运放输入级对管将进入非线性区，而使运放的性能显著恶化，甚至造成损坏。

利用平面工艺制成的NPN管约为±5V左右，而横向BJT可达±30V以上

（7）最大共模输入电压Vicmax

动态（AC）技术指标

运算放大器的动态技术指标包括：

（8）开环差模电压放大倍数AVO

开环差模电压放大倍数AVd是指集成运放工作在线性区、接入规定的负载，输出电压的变化量与运放输入端口处的输入电压的变化量之比。

运放的AVd在60～120dB之间。

不同功能的运放，AVd相差悬殊。

AVO与输出电压Vo的大小有关。

通常是在规定的输出电压幅度（如Vo＝土10v）测得的值。

AVO又是频率的函数，频率高于某一数值后，AVO的数值开始下降。

下图表示741型运放AVO的频率响应。

（9）开环共模电压放大倍数ACM

ACM=Vocm/Vicm<<1

（10）共模抑制比CMRR（Common-ModeRejectionRatio）

运放共模抑制比CMRR的定义与差分放大电路中的定义相同，是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，常用分贝数来表示。

不同功能的运放，CMRR也不相同，有的在60～70dB之间，有的高达180dB。

CMRR越大，对共模干扰抑制能力越强。

CMRR=AVd/ACM

（11）差模输入电阻Rd/共模输入电阻Rc

差模输入电阻Rd是指输入差模信号时运放的输入电阻。

Rd越大，对信号源的影响越小，运放的Rd一般都在几百千欧以上。

BJT的较小、MOSFET很大！

（12）开环带宽BW

开环带宽又称－3dB带宽，是指运算放大器的差模电压放大倍数AVd在高频段下降3dB所对应的频率fH。

（13）单位增益带宽BWG（fT）

单位增益带宽BWG是指信号频率增加，使AVd下降到1时所对应的频率fT，即AVd为0dB时的信号频率fT。

它是集成运放的重要参数。

741型运放的fT＝7Hz，是比较低的。

（14）转换速率SR（压摆率）（SlewRate）

转换速率SR是指放大电路在闭环状态下，输入大信号（例如阶跃信

号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率，见下图。

它反映了运放对于快速变化的输入信号的响应能力。

转换速

率SR的表达式为转换速率SR是在大信号和高频信号工作时的一项重要指标，目前一般通用型运放压摆率在1～10V/µs左右。

压摆率示意图

问题：

下面是什么电路？

放大倍数＝？

R2的作用是什么？

如何取值？

外部电阻匹配问题：

问题：

下面是什么电路？

放大倍数＝？

如何加匹配电阻和取值？

问题：

下面是什么电路？

放大倍数＝？

如何加匹配电阻和取值？

问题：

下面是什么电路？

放大倍数＝？

如何加匹配电阻和取值？

1.1.2运算放大器的符号和型号

（1）运算放大器的符号

运算放大器的符号中有三个引线端：

两个输入端和一个输出端。

其中一个输入端称为同相输入端，该端输入信号与输出端输出信号的极性相同，用符号‘+’或‘IN+’表示；另一个输入端称为反相输入端，该端输入信号与输出端输出信号变化的极性相异，用符号‘-’或‘IN-’表示。

输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有‘+’号。

实际的运算放大器还必须有正、负电源端，还可能有补偿端和调零端。

在简化电路中，电源端、调零端等都不画。

下面给出国家标准的运算放大器符号：

（2）集成运算放大器的型号命名

数字序号，一般与同类型的世界上其它厂家的产品序号相同。

运算放大器

功率放大器

1.1.3运算放大器分类

为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求，除性能指标比较适中的通用型运放外，出现了适应不同需要的专用型集成运放。

根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类，主要有：

通用型

高速型和宽带型

高精度、低漂移型

高输入电阻型

低功耗型

功率型

1.1.3.1通用型

通用型运算放大器的技术指标比较适中，价格低廉。

通用型运放也经过了几代的演变，早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。

以典型的通用型运放CF741（A741）为例，输入失调电压1～2mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2M，开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75、共模输入电压范围13V、转换速率0.5V/s。

1.1.3.2高速型和宽带型

高速型和宽带型运算放大器一般用于宽频带放大器、快速A/D和D/A转换器、有源滤波器、高速取样-保持电路、锁相环、精密比较器和视频放大器中。

这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，转换速率SR＞30V/μS，单位增益带宽BWG＞10MHz。

用于小信号放大时，比较注重BWG；用于高速大信号放大时，同时还应注重SR。

例如：

AD9618:

小信号带宽（-3dB）160MHz。

1.1.3.3高精度、低漂移型

高精度、低漂移型运放，一般用于毫伏量级或更微弱信号的精密检测、精密计算、精密传感器信号变送器、高精度稳压电源及自动控制仪表中。

1.1.3.4高输入阻抗型

目前,高输入阻抗型运放广泛用于生物医学电信号测量的精密放大电路、有源滤波器、取样－保持放大器、对数和反对数放大器和模数、数模转换器等。

这种类型集成运放的差模输入电阻rid＞（109～1012）Ω，输入偏置电流IIB为几皮安～几十皮安，故又称为低输入偏置电流型运放。

例如：

1.1.3.5低功耗型

低功耗型运放一般用于对能源有严格限制的遥测、遥感、生物医学和空间技术研究的设备中,工作于较低电压下，工作电流微弱。

在电源电压±15V条件下测试，低功耗型运放最大功耗不大于6mW。

工作在低电源电压（3V以下）条件下工作，具有较低的静态功耗（小于1mW）和保持良好的电气性能（如Aud＝80～100dB）。

例如：

OP290在±0.8V或1.6电源电压下工作，功耗为24uA。

1.1.3.6功率型

这种运放的输出功率可达1W以上，输出电流可达几个安培以上。

例如：

LM12，LM12CL80W运放