TI模拟技术概览及运放(补充)PPT课件

,德州仪器简介及高性能模拟技术之一,根据原作者黄争讲稿改编,1,-,目录,TI公司纵观TI模拟技术概览放大器理想放大器和实际放大器选择精密放大器差动放大器和仪表放大器差动放大器和电流检测放大器等高速放大器,2,-,低功耗微处理器高性能数字信号处理器节能型数字信号处理器数字信号控制器,专注于模拟及嵌入式处理技术产品覆盖范围,放大器数据转换器RF/IF完整的解决方案量身定制的产品,界面电源管理逻辑,产品深度,TI公司纵观全球最大的半导体公司之一，为创新提供完整的解决方案,l1930年成立于美国德州l共有员工:34,500l2010年营业额：139.7亿美元l全球覆盖：30+国家和地区设有,制造、设计中心和销售机构l2010年研发投入：15.7亿美元l专利：38,000,l2010年Fortune500强排名175(根据2010财政年度)l强大的销售支持网络l全球大学计划,丰富的通用类产品l60,000种产品，每年900+新产品,3,-,全球十大半导体供应商,全球前十大半导体厂商收入预估排名（百万美元）来源：Gartner（2012年3月）,4,-,财富2008年评选的全美最受人尊敬的半导体公司,TI从2002到2008年一直占据半导体行业“全美最受尊敬公司”第一的位置,5,-,财富评选的全球最受人尊敬的半导体公司,TI从2009到2011年一直占据半导体行业“全球最受尊敬公司”第二的位置,2011,2010,6,-,1930s,1940s,Revolutionizesoilexplorationbymeasuringreflectedsignals,Appliessignalmeasurementtomagneticanomalydetection,1950sInventsthe,integratedcircuit,1960sInventsthe,handheldcalculator,1970sAppliessignalprocessingtoconsumerproducts,1980sIntroducessingle-chipdigitalsignalprocessor,1990sCreatesfirstappsprocessorformulti-mediacellphones,TI：80年的创新历史80年来，TI致力于并推动着信号处理领域的创新,Introducesworldsfastestanalog-to-digitalconverterandlowest-powerDC-DCconverter,2000s,7,-,Q22009,TI的系统框图：提供全方位的解决方案,HumiditySound,Light,Identification,TheReal,WorldTemperaturePressurePositionSpeedFlow,DataConverterPowerManagement,Logic,Amplifier,DataConverter,Interface,AmplifierQ42007,Q12008,LowPowerRFQ32007EmbeddedProcessing,返回,8,-,TI模拟技术概览,9,-,2010年模拟产品市场份额,美国国家半导体NS,6,16,3.8%,AcquiredbyTIin2011,10,-,TIOPA209,OPA211,OPA1611OPAy1xx:FET,DiFET,精密,高输入阻抗,微偏置电流(但温漂较高);GBW20MHz;OPA140,OPA827OPA16xy:音频专用高性能运放;OPA161y:Bipolar;OPA164y:JFET;OPA1632,全差分OPA637,OPA627:DiFET,精密,优秀的直流交流特性,GBW80MHzOPAy3xx:CMOS,5.5V,精密,直流特性出众,低功耗,轨到轨R-R,自归零,零交越失真,GBW250MHz;OPA347,OPA374,OPA333,OPA365,OPA354,OPA300OPAy7xx:CMOS,24V;GBW20MHz;OPA727,OPA735TLV/TLCxxxy:CMOS,16V;GBW10MHz;针对低成本,低频应用;TLV246y,TLC08y*上面型号中的y表示通道数,TI精密放大器家族运放的直流精度通常由其输入级工艺决定,25,-,几个名词解释轨到轨输入/输出,Rail-RailInput/Output,-窄供电电压系统中非常有用！-比如在电池供电系统中，如何从3.3V供电的运放里获得3V的动态范围？,自归零，零温漂零交越失真,AutoZero&ZeroDriftZeroCrossover,26,-,输出信号幅度被供电电压所限制,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/削底。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。,27,-,轨到轨输入输出运放示例,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。,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。,非轨到轨运放：,如A741、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/削底。,InputSignalRange,OPA365:Vdd+=5V,Vdd-=GND,5V,GND,OutputSignalRange,InputSignalRange,OPA335:Vdd+=5V,Vdd-=GND,GND,OutputSignalRange,InputSignalRange,uA741,OutputSignalRange,5V3.5V,Vdd+,Vdd-,28,-,几个名词解释轨到轨输入/输出自归零，零温漂,Rail-RailInput/OutputAutoZero&ZeroDrift,-VOS非常讨厌，特别是当我有10万个产品都需要调零的时候，有没有运放不需要调零也能达到非常好的直流精度？-当我的产品在非常宽的温度范围内工作时，如何保证在整个温度范围内误差控制在很小的范围内，从而减少我对调零的需求？-用自归零、零温漂运放来解决！,零交越失真,ZeroCrossover,29,-,OPA333,OPA2333VeryLowPowerZero-Drift/Auto-ZeroOPA,Ultra-LowQuiescentCurrent:25A(max)LowOffsetVoltage:10V(max)OffsetVoltageDrift:0.05V/C(max)LowVoltageNoise:1.1VP-PBandwidth:350kHzRail-to-RailInputandOutput1.8Vto5.5VSupplyVoltageSpecifiedTemperatureRange:-40Cto+125COPA333:SC70-5,SOT23-5,SO-8OPA2333:QFN-8,SO-8Battery-PoweredInstrumentsTemperatureMeasurementPrecisionStrainGagesPrecisionSensorApplicationsHandheldTestEquipment,LowestPowerIncreasesBatteryLifeLowOffsetandDriftRemovesNeedforCalibrationinApplicationRRIOIncreasesDynamicRange1.8VSupplyExcellentforBatteryDevicesMicroSC70PackageSavesBoardSpace,30,-,低失调电压运放的两种结构：自归零Auto-Zero和斩波调零Chopper,Auto-Zero,Chopper,31,-,几个名词解释轨到轨输入/输出,Rail-RailInput/Output,自归零，零温漂AutoZero&ZeroDrift,零交越失真,ZeroCrossover,-我们常听到说反相输入比同相输入的失真表现更好，特别是对于轨到轨输入运放而言。-那么，当我们需要高输入阻抗的同相跟随器来缓冲一个大信号时，如何维持一个很好的总谐波失真THD？-用零交越失真运放来解决！,32,-,OPA365Zero-Crossover,RRIO,50MHzSingleSupplyAmplifier,ExcellentsignallinearityoverentireinputcommonmoderangeRRIOmaximizesinputdynamicrangeandenablestrue2.2VsinglesupplydataacquisitionSpeedandTHDspecsoptimizedforupto250kspsunitygainbufferdataacquisitionOPA365Salley-KeyLowPassFilter,Zero-CrossoverInputTopologyExcellentTHD+N:0.0006%ExcellentCMRR:100dBRail-to-railinput/output:Input100mVBeyondSupplyRailsLownoise:4.5nV/HzSpeed:Gainbandwidth:50MHzSettlingtime:300nsto0.01%Lowoffset:200V2.2Vto5.5VoperationSingleSupplyDataAcquisitionSecurity&SurveillanceHandheldTestandMeasurementActiveFiltersAudioPreamplifiers&FiltersPrecisionsignalconditioning,33,-,传统的轨到轨输入结构需要2级,电压轨。而此2级输入结构会带-,零交越失真的输入结构通过内,传统2级输入的轨到轨输入结构和零交越失真结构,-IN,VSS,Second,Q1,Q2,Q3,+INZero-CrossoverInputStage,VOUT,VSS-1.1V,VSS-1.5V,-IN,Stage,Q1,Q2,+IN,GND-0.1V,ChargePump,VSS+0.5VVSS+0.1V,VSS-,VOUT,VCM,VOUT,VCM,0V-,Stage结构来使电压达到正电压和负0V来过渡区附近的失调电压漂移，从而导致电压锯齿。,VSS置一个充电泵来提升输入级的偏置电压，因此只需要一级VSS-,结,构。从而消除了过渡区和其带,来的时域锯齿。VOUTSecond,StandardTwo-StageInput,Q4,34,-,dB,200-20-40-60-80-100-120-140-160,Fs=262.1440kHz,Fin=10.448000kHz,SNR=89.817,SINAD=86.838,SFDR=95.384,THD(9)=-89.879,ARL=84.288,时域上的锯齿会带来频域上的高次谐波,传统2级输入的轨到轨输入运放的谐波失真FrequencySpectrum(16384PointFFT),9次谐波的失真(dB),35,-,dB,200-20-40-60-80-100-120-140-160,OPA365零交越失真运放的谐波失真表现FrequencySpectrum(16384PointFFT),Fs=262.1440kHz,Fin=10.448000kHz,SNR=90.143,SINAD=89.905,SFDR=103.068,THD(9)=-102.634,ARL=84.288,零交越失真结构不带来高次谐波，从而达到一个很好的THD指标,9次谐波的失真(dB),36,-,精密运放的选型指南,返回,37,-,差动放大器和仪表放大器,38,-,-+,+,VCM=(VIN+VIN-)/2VCM=(+6.5V)+(+3.5V)/2=+5V,VDIFF=VIN+-VIN-VDIFF=(+6.5V)(+3.5V)=+3V,VOUT,-,(1.5V)VDIFF/2,+VIN+=+6.5V,VIN-=+3.5V-,VCM(5V),VDIFF/2(1.5V),认识共模电压和差模电压共模电压Common-ModeVoltage(VCM)：运放V-和V+包含的相同的信号成分差模电压DifferentialVoltage(VDIFF)：运放V-和V+包含的不同的信号成分,+-,39,-,差动放大器：抑制共模信号，提取差模信号,WhenR2=R1=R4=R3VOUT=(V1-V2),=,40,-,共模抑制比CMRR共模抑制比Common-ModeRejectionRatio(CMRR)衡量差动放大器放大差模信号（VDIFF）的同时抑制共模电压（VCM）的能力。通常用dB表示，常介于80dB和120dB之间，越高越好。CMRR=Gdiff/Gcm（以倍数为单位）。一般是放大差模信号，Gdiff为正（当以dB为单位时）；共模信号是衰减，Gcm为负（当以dB为单位时）。故CMRR就会得到一个比较大的正数。,GdiffGcm,CMRR=,我们希望所有的差动放大器:仅仅放大差模信号将共模信号完全抑制但是所有的差动放大器都不能完美地抑制共模信号，会有CMRR这个指标：CMRR越小，共模信号引起的输出失调就会越大,41,-,差动放大器的CMRR由什么决定？决定因素：外部电阻网络的匹配精度！（影响电路的对称性）如果R1、R2、R3、R4中的任意一只R有0.1%的误差，差动放大器的CMRR将降至2000:1，或66dB我们在零售市场最多可以买到1%精度的电阻，一个电阻的1%误差将降低CMRR到46dB而实验室里随手拿来的电阻可能是5%精度的.,42,-,差动放大器DifferenceAmplifiers,Vinv,R1,R2,R3,R4,VIN-VIN+,-+,VOUT,Vninv,VOUT=(Vninv-Vinv)R2/R1,R1=R3，R2=R4,1%的电阻精度40dB0.1%的电阻精度60dBTI提供的硅片级电阻匹配100dB,优点：高共模抑制比，宽输入共模电压范围缺点：降低的输入阻抗，低固定增益,43,-,TI的INA系列放大器家族,INA：差分输入放大器家族提供优异的共模抑制性能（HighCMRR）,InstrumentationAmplifiers(INA),CurrentSenseAmp电流检测放大器,InstrumentationAmp仪表放大器,DifferenceAmplifiers差动放大器,44,-,_,+,+,三运放结构的仪表放大器INA,优点：极高的输入阻抗，高增益范围，高CMRR缺点：输入共模电压范围窄，和差动放大器相比增加的功耗、尺寸和成本,VA2=VCM+(VDIFF/2)(1+2RF/RG),-+,VIN+,VIN-,RD,-+,-,+,-,VDIFF/2,VDIFF/2,VCM,VOUT=VDIFF(1+2RF/RG)VOUT,RFRF,RD,RD,RD,RG,A2,A1,A3,VA1=VCM-(VDIFF/2)(1+2RF/RG),_,+,45,-,VIN+,VIN-,R1,VDIFF/2,VCM,VOUT,两运放结构的仪表放大器INA,+,-,A1,VDIFF/2,RF,RF,R1,RREF,+,-,A2,VOUT=VDIFF(1+2RF/RG+RF/R1)+VREF,VA1=VCM(1+R1/RF)-(VDIFF/2)(1+2R1/RG+R1/RF)VREF(R1/RF)优点：和三运放INA相比，低的成本、尺寸和功耗缺点：输入共模电压范围窄，随频率升高CMRR急剧降低，最小增益为2,RG,_,+,+,-,_,+,返回,46,-,两运放结构INA和三运放结构INA的比较,CMRRvs.Frequency两运放结构的INA,CMRRvs.Frequency三运放结构的INA,47,-,差动放大器和电流检测放大器等,48,-,LowSideCurrentSensing,Lowsidecurrentsensing,Currentsensorelementbetweentheloadandground.,Advantages,Straightforward,Rarelyrequiresmorethananop-amptoimplement,Inexpensiveandprecise,Disadvantages,Addsundesirableresistanceinthegroundpath,Mayrequireanadditionalwiretotheloadthatcouldotherwisebe,omitted,Whentochooselowsidecurrentsensing,WhenyouCAN?,Choosinglowsidecurrentsensingisalmostalwaysthebestoptionifyour,applicationcantoleratetheextradisturbanceinthegroundpath.,49,-,HighSideCurrentSensing,Highsidecurrentsensing,Currentsensorelementbetweenthesupplyandload.,Advantages,Currentsensorconnecteddirectlytothepowersourceandcandetect,anydownstreamfailureandtriggerappropriatecorrectiveaction,Wontcreateanextragrounddisturbancethatcomeswithalowside,currentsensingdesign,Disadvantages,Requiresverycarefulresistormatchinginordertoobtainan,acceptablecommon-moderejectionratio(CMRR).,Mustwithstandveryhighcommon-modevoltages,Whentochoosehighsidecurrentsensing,Whenlowsidesensingisnotanoptionduetotheaddedground,disturbance,Whencostissavedbyeliminatingwiring,50,-,TIINA选型指南高共模抑制比放大器,INAy13x/10 x:,差动放大器，电阻网络内置，无输入缓冲，,供电36V，BWupto5MHz，输入VCMupto200VINAy2xx/19x/16x:电流并联监视器即电流检测放大器，供电36V，BWupto34MHz，输入VCMfrom-60Vto80V,INAy11x/12x:,仪表放大器，高输入阻抗，高放大倍数供电36V，BWupto800kHz(Gain=100时),INAy3xx:,仪表放大器，CMOS，供电5.5V，轨到轨，自归零，低噪低功耗，BWupto800kHz(Gain=100时),推荐型号：差动放大器：INA133,INA137(DIP)仪表放大器：INA333,INA128(DIP)电流检测放大器：INA271,INA282,*上面型号中的y表示通道数,51,-,TI的其他放大器功率放大器：,OPA4xx:宽供电范围，upto100V，输出电流至50mA，BW10MHzOPA5xx:高输出电流，upto10A，供电upto80V，BW20MHz,增益可控放大器：,PGA11x：数字程控增益放大器，BWupto10MHz，放大倍数2进制或10进制可调,其他放大器：,XTRxxx：4-20mA发射器；RCVxxx:4-20mA接收器LOGxxx：对数放大器IVCxxx：积分放大器DRVxxx：驱动放大器（PWM，线路驱动等）ISOxxx：隔离放大器VFCxxx：电压到频率，频率到电压转换器TLC04：4阶Butterworth开关电容滤波器，截止频率fc=clk/50，fc高至40kHzUAF42：通用滤波器,返回,52,-,高速放大器,53,-,Bandwidth:SmallSignalFrequencyResponseGBP(GainBandwidthProduct),VFB(voltagefeedbackamplifier)usablebandwidthdependsonthegainconfigurationGain*Bandwidth=GBWproductForexamplea)Ifanamplifierhasa1MHzGBWproductb)Itonlyhasabandwidthof10kHzinagainof100 x,Note:GBPisnotquitetrueforCFB(currentfeedbackamplifier)!因增益大，大信号!NeveruseanamplifiernearGBP(referringtoBW)!,54,-,SlewRate:DeterminedLargeSignalBandwidth,SlewRateDeterminestheLimitofLargeSignalBandwidth,注意：这里的V是指输出电压！,指输出电压幅值！,55,-,TypesofHighSpeedOPAVFB&CFB,56,-,SimplifiedVFBModel,57,-,SimplifiedCFBModel,iERROR=ie,58,-,VFBvs.CFB:Bandwidth-GainRelationship,59,-,VFBvs.CFB:SlewRateBufferfora10MHzSinewavewith5VppAmplitudeSRneeds300V/s,VFB,CFB,SmallSignalBWG=1:280MHz,LargeSignalBWG=1:200MHzSR=2100V/s,GBW=280MHzSR=240V/s,SlewRate2Vpp,Bandwidth=,SlewRate=2VppBandwidth,60,-,VFBvs.CFB:SlewRate,VFB,CFB,MostHighSpeedVFBhaveaSlewRate500V/sMostPrecisionVFBhaveaSlewRate10MHz:CFBistypicallybetterCFBtypicallyhasmuchhigherSlewRatesBetter3rd-OrderHarmonicsathigherfrequencyHigheroutputVoltageSwingisachievableathigherfrequenciesCFBallowshigherbandwidthathighergainsCaveat:De-compensatedVFBAmpsmaybeanalternative,66,-,HighspeedampsbyApplication,67,-,GeneralPurposeHighSpeedAmps,Amplifiers,VoltageFeedbackLowgainoperation(G1000V/sLowdistortionhighgainsHighO/Pcurrents,FullyDiffer