K7 放大器的种类、指标、特性、选择及误差分析

1、1电子科技大学电子科技大学课课 程程 设设 计计 论论 文文题目： 放大器的种类、指标、特性、选择及误差分析学院： 自动化工程学院学生： 张航学号： 2012079100026指导老师： 胡学海完成日期： 2014 年 5 月 6 日2目目 录录第一部分第一部分 摘要摘要.3第二部分第二部分 放大器的种类放大器的种类.42.1 按工作原理分类.42.2 按可控性分类.52.3 按性能指标分类.6第三部分第三部分 放大器的指标放大器的指标.73.1 运算放大器的基本参数.73.2 运算放大器的技术参数.7第四部分第四部分 放大器的特性放大器的特性.9第五部分第五部分 放大器的选择放大器的选择.1

2、0第六部分第六部分 放大器的误差分析放大器的误差分析 .11第七部分第七部分 参考文献参考文献 .153一、摘一、摘 要要放大器是用途十分广泛的器件。从诞生至今已有多年的历史。经过多年的发展，放大器技术已经很成熟，性能日臻完善，品种极多，其在汽车电子、通信、消费等各个领域均有广泛应用并将在支持未来技术方面扮演重要角色。本文分别从放大器的种类、指标、特性、选择及误差分析等方面进行了研究。由于运算放大器如今功能多样，几乎涵盖了放大器的所有功能而不仅仅局限与运算方面。因此，本文将对放大器的研究归为对运算放大器的研究。关键字：放大器 种类 指标 特性 选择 误差分析4二、放大器种类二、放大器种类 放大

3、器的分类方式多种多样。按供电方式可将运放分为双电源供电和单电源供电，在双电源供电中又分正、负电源对称型和不对称型供电。按集成度（即一个芯片上云芳个数）可分为但运放、双运放和四运放，目前四运放日益增多。按制造工艺可将运放分为双极型、CMOS 型和 BiMOS 型，双极型运放一般输入偏置电流及器件功耗较大，但由于采用多种改进技术，所以种类多、功能强；CMOS 型运放输入阻抗高、功耗小、可在低电源电压下工作，初期产品精度低、增益小、速度慢，但目前已有低失调电压、低噪声、高速度、强驱动能力的产品；BiMOS 型运放采用双极型管和单机型管混合搭配的生产工艺，以 MOS管作输入级，使输入电阻高达以上，目前

4、有电参数各不相同的多种产1210品。除以上三种分类方法外，还可从内部电路的工作原理、电路的可控性和电参数的特点等三个方面分类，下面简单加以介绍。2.12.1按工作原理分类按工作原理分类1. 电压放大型实现电压放大，输出回路等效成由电压控制的电压源。1uIodouAu F007F007、F324F324、C14573C14573 均属于这类产品。2. 电流放大电路实现电流放大，输出回路等效成由电流控制的电流源。1iIioiAi LM3900LM3900、F1900F1900 属于这类产品。3. 跨导型跨越型将输入电压转换成输出电流，输出回路等效成由电压控制的，1uOi即,的量纲为电导，它是输出电

5、流与输入电压之比，故称跨IiuuiAOiuA5导，常记作。LM3038LM3038、F3080F3080 属于这类产品。mg4. 互阻型将输入电流转换成输出电压，输出回路等效成由电流控制的电压源，Iiou即,的量纲为电阻，故称这种电阻为互阻放大电路。IuioiAu uiAAD8009AD8009、AD8011AD8011 属于这类产品。输出等效为电压源的运放，输出电阻很小，通常为几十欧；而输出等效为电流源的运放，输出电阻较大，通常为几千欧以上2.22.2按可控性分类按可控性分类1. 可变增益运放可变增益运放有两类电路，一类由外接的控制电压来调整开环差模增Cu益,成为电压控制增益的放大电路，如

6、VCA610VCA610，当从 0V0V 变成-2V-2V 时，odACu从-40dB-40dB 变成+40dB+40dB，中间连续可调；另一类是利用数字编码信号来控制开odA环差模增益的，这类运放是模拟电路与数字电路的混合集成电路，具有较odA强的编程功能，例如 AD526AD526，其控制变量为、，当给定不同的二2A1A0A进制码时，将不同。odA2. 选通控制运放此类运放的输入为多通道，输出为一个通道，即对“地”输出电压信号。利用输入逻辑信号的选通作用来确定电路对哪个通道的输入信号进行放大。图2.2.1 所示为两通道选通控制远方 OPA676 的原理示意图。当为 0V 时，开CHA关 S

7、 倒向电路的输出端，电路对放大，输出电压；当为 2.7V1AIAuIAodOuAu CHA时，开关 S 倒向的输出端，电路对放大，输出电压；为开环差2AIBuIBodOuAu odA模增益。由于开关起切换输入通道的作用，故也称这类电路为输入切换运放。6+_IAuIBuOu+_3A+_1A2ASCHA图 2.2.1 两通道选通控制运放 OPA676 的原理示意图2.32.3按性能指标分类按性能指标分类; ;按性能指标可分为通用型和特殊型两类。通用型运放用于无特殊要求的电路之中，其性能指标的数值范围如表 3.1 所示，少数运放可能超过表中数值范围；特殊型运放为了适应各种特殊要求，某一方面性能特别突

8、出，下面作一下简单介绍。表 3.1 通用型运放的性能指标 参数单位数值范围参数单位数值范围odAdB65100AdB7090idrM0.52IOUmV25单位增益带宽MHz0.52IOIA0.22SRsV/0.50.7IBIA0.37功耗mW80120 1. 高阻型7具有高输入电阻（）的运放称为高阻型运放。它们的输入级多采用超idr管或场效应管，大于，适用于测量放大电路、信号发生电路或采idr910样-保持电路。2. 高速型单位增益带宽和转换速率高的运放为高速型运放。它的种类很多，增益带宽多在 10左右，有的高达千兆赫；转换速率大多在几十伏/微秒至几百伏MHz/微秒，有的高达几千伏/微秒。适用

9、于模-数转换器、数-模转换器、锁相环电路和视频放大电路。3. 高精度型 高精度型运放具有低失调、低温漂、低噪声、高增益等特点，它的失调电压和失调电流比通用型运放小两个数量级，而开环差模增益和共模抑制比均大于 100。适用于对微弱信号的精密测量和运算dB4. 低功耗型低功耗运放具有静态功耗低，工作电源电压低等特点，它们的功耗只有几毫瓦，甚至更小，电源电压为几伏，而其它方面的性能不比通用型运放差。适用于能源有严格限制的情况，例如空间技术、军事科学及工业中的遥感遥测等领域。此外，还有能够输出高电压（如 100V）的高压型运放，能够输出大功率（如几十瓦）的大功率运放。除了通用型和特殊型运放外，还有一类

10、运放是为完成某种特定功能而生产的，例如仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器、对数/反对数放大器等等。随着 EDA 技术的发展，人们会越来越多自己设计专用芯片。目前可编程模拟器件也在发展之中，人们可以在一块芯片上通过编程的方法实现对多路信号的各种处理，如放大、有源源波、电压比较等。三、放大器的指标三、放大器的指标3.13.1 运算放大器的基本参数运算放大器的基本参数（1）开环差模电压放大倍数：是在开环状态、输出不接负载时odAodA的差模放大倍数，一般在之间。理想运放的为。7510-10odA（2）共模抑制比:常用分贝作单位，一般在 100以上。CMMRdB（3）差模输入阻抗：，有的可达以上。i

11、dr1MidrM1008（4）输出阻抗：为几欧至几十欧。oror（5）最大共模输入电压。maxIcU（6）最大差模输入电压。maxIdU3.23.2 运算放大器的技术参数运算放大器的技术参数（1）输入失调电压:运放输出直流电压为零时，两个输入端之间所加IOU的补偿电压称为输入失调电压。很显然数值越小越好，一般为IOUIOU几毫伏，高精度运放应在一下。mV1（2）输入失调电流：运放输出直流电压为零时，两个输入端偏置电流IOI的差值定义在输入失调电流，或者说，输入失调电流是输入信号为零时，两个输入端的静态电流之差，即。一般为纳安|21BBIOIIIIOI数量级，数值越小越好。（3）输入失调电压温度

12、系数：一定温度范围内，失调电压的变化和IOaV温度变化的比值定义为，习惯称为温度漂移。IOaV（4）输入偏置电流：运放输入直流电压为零时（或输入信号为零时） ，BI两个输入端偏置电流的平均值定义为输入偏置电流。（5）差模开环电压增益：在标称电源电压及规定负载下，运放工作UdA在线性区时，输出电压变化与输入电压变化量之比定义为差模开环电压增益。一般在之间。UdAUdAdB18060（6）共模抑制比：的单位是，表达式为CMMRCMMRdB)(lg20lg20dBdcAddAIcUIcUCMRK（7）电源电压抑制比：运放工作于线性区时，输入失调电压随电源SVRK电压的变化率称为电源电压抑制比。9（8

13、）最大差模输入电压：运放两输入端允许施加的最大电压差，若IdmU所施加的电压超过，运放输入级就有可能被反向击穿，甚至损坏。IdmU（9）最大共模输入电压：在标称电源电压下，将运放接成电压跟随IcmU器，输出产生 1%的跟随误差时的输入电压值；或定义为下降 6CMMR时所施加的共模输入电压值。dB（10）输出峰峰电压：在标称电源电压及制定负载下，运放输出ppU的低频交流负电压峰值至正电压峰值，有时称为输出摆幅。（11）开环带宽：在正弦小信号激励下，运放开环电压增益值随频率BW从直流增益下降 3所对应的信号频率定义为。dBBW（12）单位增益带宽。运放在正弦小信号激励下及低频闭环增益为BWG1 时

14、，闭环增益随频率从 1 下降到 0.707 所对应的频率定义为。BWG（13）转换速率（又称为压摆率）与全功率带宽：在运放闭环RSPBW电压增益为 1 时，输入正弦大信号，在指定负载和指定失真度等条件下，使运放输出电压幅度达到最大值时的信号频率，定义为，简称为功PBW率带宽。受的限制，它们之间的关系可近似表示为PBWRSomU2RSPBW式中输出电压幅度的最大值。omU（14）建立时间：在闭环电压增益为 1 时，在阶跃大信号输入的条件sett下，运放输出电压达到某一特定数值范围时所需要的时间。（15）等效输入噪声电压和噪声电流。在屏蔽良好，无信号输入运放时，输出端出现的任何无规则的交流干扰电压

15、波形称为运放的输出噪声电压，将它们换算到输入端时简称为等效输入噪声电压或等效输入噪声电流。（16）最大输出电压：能使输出电压和输入电压保持不失真关系时oppU10的最大输出电压，成为运算放大器的最大输出电压。（17）开环电压放大倍数：指运放在无外部反馈的情况下的电压放大UOA倍数，其数值越大越好。一般为，即。UOA741010dB14080三、放大器的特性三、放大器的特性3.1 理想运算放大器的特点 （1）高增益，开环差模电压放大倍数。UA （2）差模输入阻抗。IdR （3）恒压输出，输出阻抗。0RO （4）共模抑制比，。CMMR （5）零偏置输入，输入偏置电流。021BBII （6）失调电压

16、、失调电流及温度漂移为零。 （7）频带宽，。BW （8）等效输入噪声电压、噪声电流均为零。 （9） （-3）带宽为无限大dB （10）转换速率为无限大。RS 3.2 这里以按性能指标的分类方式简单介绍放大器的特性。1) 通用运算放大器通用运算放大器最大的特性是其性能指标能满足一般应用，而且价格低廉、产品量大面广。2) 高阻运算放大器高阻运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般,输入偏置电流为几皮安()到几十皮安。)1010(129idRBIpA3) 高精度、低温漂运算放大器高精度、低温漂运算放大器的特点是低失调、低温漂、低噪声、高增益。114) 高速运算放大器高速运算放大

17、器的特点是转换速率高、频率响应范围宽。5) 低功耗运算放大器低功耗运算放大器的特点是低电源电压供电、低功率消耗，适用于便携式仪器。6) 高压大功率运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。四、放大器的选择四、放大器的选择通常情况下，在设计集成运放应用电路时，没有必要研究运放的内部电路，而是根据设计需要寻找相应性能指标的芯片。因此，了解运放的类型，理解运放主要性能指标的物理意义，是正确

18、选择运放的前提。应根据一下几个方面的要求选择运放。4.1 信号源的性质根据信号源是电压源还是电流源，内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围等，选择运放的差模输入电阻、-3-3 dBdB 带宽（或单位增益带宽） 、转idr换速率等指标参数。SR4.2 负载的性质根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值。对于容性负载和感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响。4.3 精度要求对模拟信号的处理，如放大、元算等，往往提出精度要求；如电压比较，往往提出相应时间、灵敏度要求。根据这些要求选择运放的开环差模增益、odA失调电压、失调电流及转换速率等指标参数。IOUIOISR4.4 环境条件

19、根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的失调电压及失调电流的温漂、等参数；根据所能提供的电源（如有些情况只dTdUIO/dTdIIO/能用干电池）选择运放电源电压；根据对能耗的无限制，选择运放的功耗等等。12根据上述分析就可以通过查阅手册等手段选择某一型号的运放了，必要时还可以通过各种 EDA 软件进行仿真，最终确定最满意的芯片。目前，各种专用运放和多方面性能俱佳的运放种类繁多，采用它们会大大提高电路质量。不过，从性能价格比方面考虑，应尽量采用通用型运放，只有在通用型运放不满足应用要求时才采用特殊型运放。五、放大器的误差分析五、放大器的误差分析集成运算放大器(以下简称运放)应用最为广泛,它已经

20、成为电子技术领域中最基本的功能器件.由运放为核心组成的各种应用电路中,一般都把运放当做理想器件,这给设计和分析电路带来很多方便。但是,性能最好的运放也只能接近理想特性,这就不可避免地产生运算误差。这种误差对要求不高的实际电路,是可以忽略不计的,但是对性能要求较高的电路,例如在数据采集系统中,要把微弱的信号按一定的倍数精确放大,象这样的电路,由运放引起的运算误差是不能忽略不计的。放大器的误差来源主要来源于运放本身.按理想化条件,要求运放的主要参数,例如开环电压增益 A。 、输入电阻 r,、共模抑制比 Kc,等应为无穷大,但实际上这些参数都是有限值,理想运放又要求它的输入平均偏流 I。 、输入失调

21、电流105 及其温漂、输入失调电压 Vos 及其温漂等都应为零,其实这些参数最好的也只能接近于零。运放参数不理想是实际应用电路产生运算误差的主要来源.当然电路中的其它元器件、工作条件以及外界干扰等因素也会带来运算误差, 5.1 共模抑制比 KCMR为有限值的情况集成运放的共模抑制比为有限值时，以下图为例讨论。VP=ViVN=VofRRR11共模输入电压为：VIC=+2NPvv 2ivfoRRRv112差摸输入电压为：VID=VP-VN=Vi-VofRRR11运算放大器的总输出电压为：vo=AVDvID+AVCvICR1Rf-+NPVoVi13闭环电压增益为：AVF=iovvfVCfVDVCVD

22、RRRARRRAAA1111*2121=(1+)1RRfCMRVDfCMRKARRRK21/ )(121111可以看出，AVD和 KCMR越大，AVF越接近理想情况下的值，误差越小。5.2 输入失调电压 VIO一个理想的运放，当输入电压为 0 时，输出电压也应为 0。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 0 时，存在一定的输出电压。解释一：在室温 25及标准电源电压下，输入电压为 0 时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压叫做失调电压。解释二：输入电压为 0 时，输出电压 Vo 折合到输入端的电压的负值，即VIO=-/AVO0|IVOV输入失调电压反映了电路的对称程度，

23、其值一般为110mV5.3 输入偏置电流IIB 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 0 时，两个输入端静态电流的平均值。输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级BJT 的性能，当它的 值太小时，将引起偏置电流增加。偏置电流越小，由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也越小。其值一般为 10nA1uA。5.4 输入失调电流IIO N 在 BJT 集成电路运放中，当输出电压为 0 时，流入放大器两输入端的静态基极电流之差，即IIO=|IBP-IBN|，由于信号源内阻的存在，IIO会引起一个输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为 0。它反映了输入级差分对管的不对称度，一般约为 1nA0.1uA。5.5 输入失调电压 VIO、输入失调电流 IIO不为 0 时，运算电路的输出端将产生误差电压。14设实际的等效电路如下