TI 运放放大器ppt课件.ppt

运算放大器的指标 电源 电源监视 显示 存储 电源分配 数据传输 传感器 信号调理 DSP C 模拟输出 激励 ADC DAC 信号调理 运算放大器在电子系统中的位置 3 运放 外部分立元件 放大器 改变信号的幅度缓冲器 隔离输入和输出 阻抗匹配 高输入阻抗 低输出阻抗 滤波器 滤除不想要的频率分量 噪声和干扰各种运算功能 积分 微分 乘法 对数 等等 运放的功能 4 运放应该关注哪些指标 了解运放的对外接口 正负端输入 供电管脚 输出管脚输入端口相关的指标 输入阻抗 带宽BW 偏移电压offsetvoltage 偏置电流biascurrent 输入电压范围 噪声特性输出端口相关的指标 输出的驱动能力 输出电压范围 压摆率slewrate供电相关指标 供电电压范围 静态电流附加的功能管脚 5 输入端口相关的指标 输入阻抗 手册中的截图 关键字 impedance resistance 选择运放输入阻抗时要考虑到被放大对象 信源 的内阻 运放的输入阻抗要远远大于信源内阻 例如信源内阻为10K 则需要选择100K以上的输入阻抗才能达到90 的精度 要达到99 的精度则要选择1M以上的输入阻抗 两个不同输入阻抗的运放对比OPA211双极型输入OPA140FET输入 输入端口相关的指标 带宽 手册中的截图 关键字 frequencyresponse GBW bandwidth 对于宽带的运放 由于类型不同如VFB和CFB的 还会给出不同增益下的带宽 用于说明带宽随增益变化的规律 OPA691电流反馈型 CFB OPA830电压反馈型 VFB 7 输入端口相关的指标 带宽 GBP GainBandwidthProduct VFB类型的运放受增益带宽积的限制Gain Bandwidth GBP例如a 带宽为1MHzGBP的运放b 在100倍增益情况下只有10KHz带宽注意 在电流反馈运放 CFB 中不受增益带宽积限制 输入失调电压 InputOffsetVoltage 和输入偏置电流 InputBiasCurrent 直流指标 对运放直流精度的影响最为直观失调电压 因同相端和反相端失配而产生的输入级固有电压差 越小越好偏置电流 输入级为了能正常工作而对输入晶体管进行偏置所需要的基极电流 BJT 或栅极电流 JFET 可能流入 npnBJT或p沟道JFET 或流出 pnpBJT或n沟道JFET 运放的输入引脚 越小越好 R2 失调电压VOS是针对V 和V 之间的固有电压差 偏置电流IB针对V 和V 单个引脚而言 IB 和IB 失调电流IOS是等于IB IB 对于一些没有内部偏置电流调零电路的运放来说 IOS可以比IB小10倍以上 对于有调零电路的运放来说 两者几乎相等 9 输入端口相关的指标 失调电压 手册中的截图 关键字 offsetvoltage 失调电压指标在高倍放大的精密电路中最为重要 偏移电压被放大后直接影响电路检测微弱信号的精度 偏移电压因同相端和反相端失配而产生的输入级固有电压差 越小越好 虽然失调电压可以调节 但是如果是批量生产将极大的降低效率 并且还要注意失调电压随温度的变化 精密运放的这个变化是很小的 例如OPA333的失调电压极小超低功耗 25 A max 低失调 10 V max 低温漂 0 05 V C max 低噪声 1 1 VP P带宽 350kHzRail to Rail输入和输出1 8Vto5 5V供电 10 输入端口相关的指标 偏置电流 手册中的截图 关键字 biascurrent 偏置电流在对高阻信源放大时非常重要 因为偏置电流乘以高阻可以产生很大的误差电压 例如20uA的偏置电流 在100K电阻上产生的电压为2V 放大倍数稍大就可以使运放饱和 OPA691的偏置电流 双极型输入高速放大器OPA656的偏置电流 FET输入高速放大器 11 输入端口相关的指标 偏置电流影响仿真 OPA691的偏置电流在uA级别 双极型输入OPA656的偏置电流在nA级别 FET输入 12 输入端口相关的指标 输入电压范围 手册中的截图 关键字 inputvoltage range 输入电压范围在将运放用于单电源供电时要特别注意 因为 1 单电源的VCC和GND之间的电压差较小 输入不是轨到轨的话将限制输入电压的范围 2 信源用GND作为参考 当输入小信号或者信号中直流分量小的时候 就相当于输入逼近GND电源轨 如果不满足输入调件将不能正常工作OPA365轨到轨运放的输入电压范围OPA335的输入电压范围能达到负电源轨 达不到正电源轨 输入端口相关的指标 输入电压范围 轨到轨输入和输出运放 如OPA365 输入和输出摆幅都能非常接近供电电源轨 但也不能完全达到 在差分输入端使用互补的N和P型器件 当共模输入电压达到任意一个电源电压 至少有一个差分输入端仍然处于激活状态 轨到轨输出运放 如OPA335 输出摆幅可以非常接近供电电源轨 但不能完全达到 输入在高电平处需要1 5V的净空 TI的LinCMOS运放使用P沟道CMOS作为输入 衬底被连接到正电源电平 因此一个导电通道被创建使VG VTH VDD 这就使共模输入电压范围包含负电源电平成为可能 非轨到轨运放 如uA741 LM324 OP27等 输入和输出在高电平和低电平处都需要一定的净空才能保证不发生削顶 底 InputSignalRange OPA365 Vdd 5V Vdd GND 5V GND Voltage OutputSignalRange InputSignalRange OPA335 Vdd 5V Vdd GND 5V GND Voltage OutputSignalRange InputSignalRange uA741 Voltage OutputSignalRange 3 5V Vdd Vdd 输入端口相关的指标 非轨到轨输入运放仿真 对于输入电压范围正负电源轨都达不到的运放 不适合在单电源中应用 对于输入电压范围能达到负电源轨 达不到正电源轨的运放 调节直流偏置即可应用在单电源中 输出端口相关的指标 输出的驱动能力 手册中的截图 关键字 current output 输出驱动能力是表示运放带负载的能力 作为最后一级时常常要考虑其驱动能力 BUF634的驱动带宽30M或180M 注意手册中的continuous 表示可以承受均值电流250mA THS3092也是一款常用的驱动级运放 输出端口相关的指标 输出电压范围 手册中的截图 关键字 outputswing 在单电源供电的场合更需要注意 因为单电源供电电压低 并且小信号输出时接近GND电源轨 在单电源供电中选择轨到轨 railtorail 更方便使用 轨到轨运放OPA354非轨到轨运放LM324 17 输出端口相关的指标 输出电压范围 在最大输出幅度和供电电源轨间必须有一定的裕量或净空 保证输出不被削顶 底 对输入也是一样 根据运放输出结构不同 这个裕量从数mV到数V不等 输出端口相关的指标 输出电压范围仿真 运放不是轨到轨在单电源低压供电下会使输出范围过小 这样放大较大信号时就会消峰 TINA TI仿真结果如下 输出端口相关的指标 压摆率slewrate 手册中截图 关键字 slewrate 压摆率是运放输出信号的最大斜率 表示运放输出大幅度信号的能力 结合GBW可以计算出运放在输出最高频率信号时幅度的最大值 信号S t A sin 2 f t 信号斜率的最大值为A 2 f slewrate 可以看到slewrate压摆率不变时 A越大 f就越小 需要A和f都大的应用场合 就需要选择压摆率大的运放 注意手册中给出的负载情况 驱动级运放和高速运放的压摆率都很大 例如BUF634和THS3092THS3092的压摆率 例如输出50MHz正弦信号时可以达到12V BUF634的压摆率 例如输出50MHz正弦信号时可以达到6V 输出端口相关的指标 压摆率slewrate 压摆率限制了输出大信号的带宽 21 输出端口相关的指标 压摆率slewrate 缓冲一个10HMz的正弦信号 500mVpp SRneeds30V uS5Vpp SRneeds300V uS GBW 280MHzSR 240V uS 500mVpp 5Vpp 供电相关的指标 供电范围和静态电流 手册中的截图 关键字 powersupply quiescentcurrent 供电电压可以看出器件是否适合在单电源低电压下使用 静态电流可以看出器件是否适合在低功耗应用中使用 OPA4xx 宽供电范围 upto100V 输出电流至50mAOPA3xx CMOS 5 5V 精密 直流特性出众 轨到轨 低噪低功耗LPV521最低功耗运放 静态电流小于1uA MDAC实现信号衰减 18V 10MHz 18V 10MHz 24 MDAC用作程控增益 单电源供电运放 运放的电源轨 V 和V 当V 接地时 运放即为单电源供电 所有的运放都可以在单电源供电下工作 只要数据手册没有说不可以 现在 单电源供电的运放在手持设备 低电压设备和ADC驱动中非常常见 单电源运放的设计要点是偏置电压的设定 双电源供电的一个例子 OPA735 VS 5V VS 5V信号增益G 1Vin 1Vto1V 正弦波Vout 1Vto 1V 正弦波Vin和Vout为180度反向 双电源供电的一个例子 OPA227 VS 5V VS 5V信号增益G 1Vin 1Vto1V 正弦波Vout 1Vto 1V 正弦波Vin和Vout为180度反向 错误的单电源供电1 OPA735 VS 10V VS GND信号增益G 1Vin 1Vto1V 正弦波Vout 1Vto0V 正半周的正弦波仅有正电源供电 无法输出负半周 错误的单电源供电1 OPA227 VS 10V VS GND信号增益G 1Vin 1Vto1V 正弦波Vout DC 因为OPA227不是轨到轨输出运放 输出为其能输出的最小电压 错误的偏置电压提供 OPA735 VS 10V VS GND信号增益G 1Vin 1Vto1V 正弦波Vref V 2 直接加在同相端由叠加原理知道 Vout 10V 1V实际上Vout 9Vto10V OPA735无法输出大于供电电压的部分只能输出失真的负半周正弦波 错误的偏置电压提供 OPA227 VS 10V VS GND信号增益G 1Vin 1Vto1V 正弦波Vref V 2 直接加在同相端由叠加原理知道 Vout 10V 1V实际Vout DC OPA227非轨到轨输出输出为OPA227能输出的最大正向电压 正确的偏置电压提供 DC耦合1 VS 10V VS GND信号增益G 1Vin 1Vto1V 正弦波Vref V 2 同时加给输入信号和同相端由叠加原理知道 Vout 2Vref Vin Vref V 2 Vin波形将以5V为中心 上下摆动 对于10V供电的运放来说 可以获得最大的输出动态范围 正确的偏置电压提供 DC耦合2 VS 10V VS GND信号增益G 1 增益NG 2Vin 1Vto1V 正弦波Vref V 2NG 加给同相端由叠加原理知道 Vout NG Vref Vin Vref V 2 Vin波形将以5V为中心 上下摆动 对于10V供电的运放来说 可以获得最大的输出动态范围 正确的偏置电压提供 AC耦合 VS 10V VS GND信号增益G 1 直流信号的噪声增益NG 1反相端的C1对于直流电平Vref来说有无穷大的阻抗 所以RG C1 Rg为无穷大 由叠加原理 Vref对Vout的贡献为Vref 1 Rf RG VrefVin 1Vto1V 正弦波Vref V 2 加给同相端 再次通过叠加原理Vout Vref Vin V 2 Vin 同相放大器的例子 DC耦合1 Vout Vref 2 2 2 Vin 2 Vre