电赛模拟放大器部分.ppt

模拟电路培训,西电电赛,2,电子设备：从物理世界获取信息，进行处理，再将信息返回物理世界,真实的物理世界的本质是模拟的模拟电路是电子设备与真实物理世界交互的重要桥梁,模拟电路,一、放大器,1.1集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性,集成运算放大器是将电子器件和电路集成在硅片上的放大器,同相输入端的输入信号与输出信号相位相同；反相输入端的输入信号与输出信号相位相反。,1.1.1集成运算放大器的符号,基本放大和运算,4,1.1.2集成运算放大器的模型,uid=ui+-ui-：差模输入电压；Auo：集成运放的开环电压放大倍数；Ri：集成运放的输入电阻；Ro：集成运放的输出电阻。,RiRo0AuoIi+=Ii-0,理想化,理想化条件,“虚断路”,基本放大和运算,5,1.1.3集成运算放大器的电压传输特性,线性放大区：uo=Auo(ui+-ui-)=Auouid,“虚短路”：Auouid0,限幅区：uo=UCC或UEE，uid可以较大，不再“虚短路”。,基本放大和运算,6,1.2扩展线性放大范围引入深度负反馈,负反馈将反馈信号引向反相输入端，使反馈信号抵消部分输入信号，保证在输入信号较大时，uid仍然很小，在“虚短路”范围内，从而集成运算放大器工作在线性放大区。,基本放大和运算,7,反相输入组态,同相输入组态,可以保证运放工作在线性区,基本放大和运算,8,基本放大和运算,（1）比例运算,反相比例放大器,同相比例放大器,电压跟随器,9,（2）加、减运算,反相加法器,同相加法器,相减器,若R1=R2=R3=R,若R1=R2,若R1=R2R3=R4,基本放大器和运算,10,(3)积分、微分运算,微分电路,反相积分器,差分积分器,基本放大和运算,11,(4)对数、反对数运算,对数运算电路,反对数运算电路,基本放大和运算,12,放大器的基本类型,运算放大器一般可分为通用型、精密型、低噪声型、高速型、低电压低功率型、单电源型等几种。这里以美国TI公司的产品为例，说明其各类的主要特点。,一、运算放大器基本常用类型,13,运算放大器分类,放大器的基本类型,14,放大器的基本类型,15,放大器的基本类型,16,放大器的基本类型,17,(1)通用型运算放大器通用型运算放大器的参数是按工业上的普通用途设定的，各方面性能都较差或中等，价格低廉，其典型代表是工业标准产品A741、LM358、OP07、LM324、LF412等。(2)精密型运算放大器要求运算放大器有很好的精确度，特别是对输入失调电压UIO、输入偏置电流IIB、温度漂移系数、共模抑制比KCMR等参数有严格要求。如UIO不大于1mV，高精密型运算放大器的UIO只有几十微伏，常用于需要精确测量的场合。其典型产品有TLC4501TLC4502、TLE2027TLE2037、TLE2022、TLC2201、TLC2254等。,放大器的基本类型,18,(3)低噪声型运算放大器也属于精密型运算放大器，要求器件产生的噪声低，即等效输入噪声电压密度15nV，另外需要考虑电流噪声密度，它跟输入偏流有关。双极型运算放大器通常具有较低的电压噪声，但电流噪声较大，而CMOS运算放大器的电压噪声较大，但电流噪声很小。低噪声型运算放大器的产品有TLE2027TLE2037、TLE2227TLE2237、TLC2201、TLV2362TLV2262等。,放大器的基本类型,19,(4)高速型运算放大器要求运算放大器的运行速度快，即增益带宽乘积大、转换速率快，通常用于处理频带宽、变化速度快的信号。双极型运算放大器的输入级是JFET的运算放大器，通常具有较高的运行速度。典型产品有TLE2037TLE2237、TLV2362、TLE2141TLE2142TLE2144、TLE2071、TLE2072TLE2074、TLC4501等。(5)低电压、低功率型运算放大器用于低电压供电，如3V电源电压运行的系统或电池供电的系统。要求器件耗电小(500A)，能低电压运行(3V)，最好具有轨对轨（railtorail）性能，可扩大动态范围。主要产品有TLV2211、TLV2262、TLV2264、TLE2021、TLC2254、TLV2442、TLV2341等。,放大器的基本类型,20,(6)单电源型运算放大器单电源运算放大器要求用单个电源电压(典型电压为5V)供电，其输入端和输出端的电压可低达0V。多数单电源型运算放大器是用CMOS技术制造的。单电源型运算放大器也可用于对称电源供电的电路，只要总电压不超过允许范围即可。另外，有些单电源型运算放大器的输出级不是推挽电路结构，当信号跨越电源中点电压时会产生交越失真。,21,放大器的基本类型,“轨对轨”（RailtoRail）运算放大器,放大器的基本类型,22,双电源运放和单电源运放,放大器的基本类型,23,电压反馈运算放大器及电流反馈运算放大器,电压反馈运算放大器VFA（VoltageFeedbackOperatiovalAmplifier）电流反馈运算放大器CFA（CarrentFecdbackOperatioualAmplifier）,电压模运放（VoltageModeopAmp，,电流模运放（CurrentModeopAmp）,电流反馈运算放大器的原理及特点电流反馈运算放大器具有高速、宽带特性，压摆率SR,10005000V/uS，带宽可达100MHz10GHz,而且，在一定条件下，具有与闭环增益无关的近似恒定带宽。由于其优越的宽带特性，在视频处理系统、同轴电缆驱动放大器等领域得到广泛应用。,；,放大器的基本类型,24,正确理解集成运算放大器的指标参数-选择运放的依据,影响“精度”的指标,1.输入失调电压VOS(InputoffsetVoltage),2.输入失调电流IOS(InputoffsetCurrent),4.开环增益Avd（Openloopgain）,5.共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRatio),6.电源抑制比PSRR(PowerSupplyRejectionRation),影响“速度”的指标,7.-3dB带宽BW(-3dBBandwidth),8.建立时间,10总谐波失真加噪声(THD+N)(TotalHarmonicDistortionPlusNoise),9.压摆率SR(SlewRate),3.输入偏置电流IB（InputBiasCurrent）,放大器的参数,二、运算放大器的基本参数,25,在这些参数中，增益带宽积，转换速率和最大共模输入电压范围是三个重要参数。.增益带宽积GBW和单位增益带宽fTGBW定义为：GBW=AodfH其中，fT定义为Aod下降到0dB即Aod=1时的信号频率。一个运放的GBW是个常数，当加入负反馈后，通频带可以展宽，但放大倍数降低。作为闭环负反馈工作的放大器，其小信号上限工作频率fH受运放增益带宽积GWB=AvdfH的限制。以A741为例，其开环差模电压放大倍数Aod=105倍，开环fH=10Hz，故运放的单位增益上限频率fT=1MHz，即作为电压跟随器或反相器工作时的最高工作频率为1MHz。若用A741设计Auf为20dB即便10倍的放大电路，则电路允许的上限频率为100kHz。,放大器的参数,26,.转换速率SRSR又叫摆率，是表示运放输出电压幅度与频率的关系。定义为：SR表示放大电路输出电压对时间的最大变化速率。运放的SR为一定值。如输入是正弦波电压，当频率一定时，则输出电压的幅度就受SR的限制，否则输出电压波形产生失真。如要求输出电压幅值一定时，则输入信号频率受SR限制，否则输出电压波形产生失真。,放大器的参数,27,放大器的参数,28,如果运放工作于大信号输入状态，则此时电路的最大不失真输入幅度Vim及信号频率将受运放转换速率SR的制约。仍以A741为例，其SR=0.5V/s若输入信号的最高频率为100kHz，则其不失真最大输入电压Vim=(SR)/(2fmax)=0.5106/2105=0.8V。若要求最大不失真输出电压Vom一定，则信号的最高频率为fmax=(SR)/(2Vom),放大器的参数,29,最大共模输入电压范围在实际使用时，共模输入电压超过此值，运放内部差动输入级不能正常工作，甚至损坏。除选用的运放外，可采用二极管保护电路。,放大器的参数,30,运算放大器选用时注意事项,（1）若无特殊要求，应尽量选用通用型运放。当一个电路中有多个运放时，建议选用双运放（如LM358）或四运放（如LM324等）。（2）应正确认识、对待各种参数，不要盲目片面追求指标的先进，例如场效应管输入级的运放，其输入阻抗虽高，但失调电压也较大，低功耗运放的转换速率必然也较低；各种参数指标是在一定的测试条件下测出的，如果使用条件和测试条件不一致，则指标的数值也将会有差异。（3）当用运放作弱信号放大时，应特别致意选用失调以及噪声系数均很小的运放，如ICL7650。同时应保持运放同相端与反相端对地的等效直流电阻等。此外，在高输入阻抗及低失调、低漂移的高精度运放的印刷底板布线方案中，其输入端应加保护环。,31,运算放大器选用时注意事项,（4）当运放用于直流放大时，必须妥善进行调零。有调零端的运放应按标准推荐的调零电路进行调零；若没有调零端的运放，则可参考下图进行调零。（5）为了消除运放的高频自激，应参照推荐参数在规定的消振引脚之间接入适当电容消振，同时应尽量避免两级以上放大级级连，以减小消振困难。为了消除电源内阻引起的寄生振荡，可在运放电源端对地就近接去耦电容，考虑到去耦电解电容的电感效应，常常在其两端在并联一个容量为0.010.1F的瓷片电容。,32,运算放大器抗干扰基本措施,1形成干扰的因素噪声源，即向外发送干扰的源噪声的耦合和辐射，即传递干扰的途径受扰设备，即承受干扰(对噪声敏感)的客体。,33,运算放大器抗干扰基本措施,一般来说，一台仪器或是一个放大器，在工作环境中会受到不同的外部干扰，它们可能来自电源的干扰、空间电磁场的干扰，以及地线的干扰等。这些干扰有时会达到相当严重的程度，在强度上远远超过了器件内部的固有噪声，从而严重妨害了对微弱信号的检测。因此，一个低噪声放大器不仅要尽量降低内部噪声，而且要很好地抑制外部干扰。外部干扰与器件内部噪声不同，这种干扰大多来源明确，并通常具有一定的规律及传送的途径。因此，采取适当措施就可能消除各外部干扰，使检测系统达到仅由内部噪声决定的检测极限。,34,运算放大器抗干扰基本措施,2.外部干扰按性质分类工频干扰，指来自50Hz或60Hz交流电源干扰。脉冲干扰，来源于各种电刷型电机、汽车点火系统或继电器等。电磁波干扰，来源于电台发射、大气干扰、宇宙射线和日光灯等。地线干扰，接地一般有三种形式，即电源地、供电电源接地点、一般指大地。信号地，电路中的公共接点，它仅是一个取零电位的基准点，可以与大地或机壳相连，也可以是浮置的(与大地及机壳绝缘，又称浮地技术)。机壳地，仪器的机壳屏蔽罩接点，根据需要，它可以与大地或信号地回路相接或不相接。对于上述几种接地方式，如果连接不正确，就会产生很大的地线干扰，严重地妨碍微弱信号检测。,35,运算放大器抗干扰基本措施,3.一些抑制噪声和干扰的基本措施抑制噪声源，直接消除干扰原因，这是首先采取的措施。消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合和辐射，切断各类干扰的传递途径，或者提高传递途径对干扰的衰减作用。加强受扰设备抵抗干扰的能力，降低其对噪声的敏感度。,36,运算放大器的接地点选择,4.放大器的接地PCB上的两个接地点之间的电位可能不是完全相等的。如果一个运算放大器电路有一个以上的接地点，如信号源在A点接地，运算放大器在B点接地，A、B两点之间的地电位差将耦合进入该电路。在图中，电压UG代表A、B两点之间的地电位差，使用两种不同的地符号只是用以强调两个在物理上分离的地的电位并不总是相等，电阻Rc1和电阻Rc2是连接信号源与放大器导线的电阻。,37,运算放大器抗干扰基本措施,5.运算放大器的屏蔽采用屏蔽保护措施的运算放大器可以更大程度地减小噪声。在运算放大器的周围设置屏蔽保护，并维持在一个一定的电位，可以防止电流流入不平衡的源阻抗。对于高增益的前置放大器，为防止电磁干扰，通常采用金属屏蔽罩进行屏蔽。,38,运算放大器抗干扰基本措施,在运算放大器与屏蔽罩之间存在寄生电容C1s、C2s和C3s。分布电容C3s和C1s提供了一个从输出到输入的反馈路径，通过这个反馈路径的信号可能会使放大器产生振荡。改进的办法是将屏蔽罩连接到放大器的公共端，如图(c)所示，短路C2s，可以切断分布电容C3s和C1s形成的这个反馈路径。,39,运算放大器抗干扰基本措施,6.运算放大器的电源去耦对于一个微控制器电路、模拟电路和数字电路混合系统，从微控制器电路和数字电路产生的噪声，即开关噪声，会直接影响模拟电路。对于一个运算放大器的电源连接端，必须要考虑去耦问题。解决的办法是在运算放大器的电源端连接一个去耦电路(RP和CP)电容器，使在电源导线上产生一个交流噪声干扰信号对地短路。注意：连接到运算放大器电源的电容CP的导线尽可能短。多级运放之间，每级放大器也需要连接去耦电路。,40,1.可变增益放大电路AD603,AD603由固定增益放大器、精确的无源R-2R梯形衰减网络、增益控制接口三部分组成。输入信号并不直接加到放大器输入端，而是加到梯形衰减网络的输入端，这样就保证了固定增益放大器的输