模拟电路基础讲座

1、模拟电路基础讲座模拟电路基础讲座电子科学与工程学院电子科学与工程学院杨恒新杨恒新2021-11-11模拟电子电路基础讲座2目录目录1.如何使稳压管工作在额定电压如何使稳压管工作在额定电压2.如何设计高输入电阻放大电路如何设计高输入电阻放大电路3.VFB& CFB运放运放4.运放指标运放指标5.运放选型步骤运放选型步骤6.运放单电源工作运放单电源工作7.运放应用特例运放应用特例8.放大器设计实例放大器设计实例9.高速放大电路布局布线高速放大电路布局布线2021-11-11模拟电子电路基础讲座31.如何使稳压管工作在额定电压如何使稳压管工作在额定电压R ILIZDZ RLUiUoi/mAu

2、/V IZmax0-UZ IZmin2021-11-11模拟电子电路基础讲座42.如何设计高输入电阻放大电路如何设计高输入电阻放大电路 放大电路输入电阻为放大电路输入电阻为1M，如何设计？，如何设计？C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRLUoRG31MUi2021-11-11模拟电子电路基础讲座5电压反馈运放电压反馈运放(Voltage FeedBack, VFB) 误差信号用电压模型误差信号用电压模型 输入端均为高输入阻抗输入端均为高输入阻抗 反馈使用电压模型反馈使用电压模型 3. VFB& CFB运放运放负反馈最终使负反馈最终使误差电压为误差电压为02021-11-1

3、1模拟电子电路基础讲座6电流反馈运放电流反馈运放(Current FeedBack, VCB) 误差信号用电流模型误差信号用电流模型 运放正端具有高输入阻抗运放正端具有高输入阻抗,而负端输入阻抗低而负端输入阻抗低 反馈也使用电流模型反馈也使用电流模型 3. VFB& CFB运放运放负反馈最终使负反馈最终使误差电流为误差电流为02021-11-11模拟电子电路基础讲座7Gain 4 : 通常选择CFB Frequency of Interest 10MHz 3. VFB& CFB运放运放2021-11-11模拟电子电路基础讲座88输入端口相关的指标输入端口相关的指标 - 输入阻抗

4、输入阻抗 - 带宽带宽 BW - 失调电压失调电压 offset voltage - 偏置电流偏置电流 bias current - 输入电压范围输入电压范围 - 噪声特性噪声特性输出端口相关的指标输出端口相关的指标 - 输出的驱动能力输出的驱动能力 - 输出电压范围输出电压范围 - 压摆率压摆率 slew rate供电相关指标供电相关指标 - 供电电压范围供电电压范围 - 静态电流静态电流4. 运放指标运放指标2021-11-11模拟电子电路基础讲座94. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围

5、压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座10选择运放输入阻抗时要考虑被放大对象（信源）的内阻。选择运放输入阻抗时要考虑被放大对象（信源）的内阻。 运放的输入阻抗要远远大于信源内阻。运放的输入阻抗要远远大于信源内阻。例如信源内阻为例如信源内阻为10K欧姆，则需要选择欧姆，则需要选择100K以上的输入阻以上的输入阻抗才能达到抗才能达到90%的精度，要达到的精度，要达到99%的精度则要选择的精度则要选择1M以以上的输入阻抗。上的输入阻抗。4. 运放指标运放指标-输入阻抗输入阻抗2021-11-11模拟电子电路基础讲座114. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电

6、流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座12电流反馈型电流反馈型(CFB):如如OPA691电压反馈型电压反馈型(VFB):如如OPA830 注：注：不同增益下的带宽通常不同不同增益下的带宽通常不同4. 运放指标运放指标-带宽带宽2021-11-11模拟电子电路基础讲座13-3dB带宽带宽/单位增益带宽单位增益带宽/全功率带宽全功率带宽全功率带宽全功率带宽a)满程输出时能达到的带宽满程输出时能达到的带宽b)与压摆率密切相关与压摆率密切相关-3dB带宽带宽/单位增益带宽单位增益带宽小信号增益时带宽小信号增益时带

7、宽4. 运放指标运放指标-带宽带宽2021-11-11模拟电子电路基础讲座14增益带宽积增益带宽积 (Gain Bandwidth Product, GBP) VFB 类型：类型：Gain * Bandwidth = 常数常数 带宽为带宽为1MHz GBP的运放的运放 在在100倍增益时只有倍增益时只有10KHz带宽带宽 CFB类型：类型：Gain * Bandwidth 不固定不固定4. 运放指标运放指标-带宽带宽2021-11-11模拟电子电路基础讲座15注：对高速放大器，由于寄生电容的影响，注：对高速放大器，由于寄生电容的影响，单位增益带宽单位增益带宽常常常常大于其大于其增益带宽积增益带

8、宽积；对精密放大器，两者相等。；对精密放大器，两者相等。OPA820的带宽的带宽4. 运放指标运放指标-带宽带宽单位增益带宽单位增益带宽增益带宽积增益带宽积大信号带宽大信号带宽2021-11-11模拟电子电路基础讲座164. 运放指标运放指标-带宽带宽2021-11-11模拟电子电路基础讲座174. 运放指标运放指标-带宽带宽2021-11-11模拟电子电路基础讲座184. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座19在高倍放大的精密电路中最为重要

9、。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。偏移电压被放大后直接影响电路检测微弱信号的精度。OPA333 失调电压失调电压: 10V (max) 温漂温漂: 0.05V/C (max)4. 运放指标运放指标-失调电压失调电压2021-11-11模拟电子电路基础讲座204. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座21对高阻信源放大时非常重要。对高阻信源放大时非常重要。20uA的偏置电流，在的偏置电流，在100K

10、电阻上产生的电压为电阻上产生的电压为2V。偏置电流乘以高阻可以产生很大的误差电压。偏置电流乘以高阻可以产生很大的误差电压。OPA691的偏置电流在的偏置电流在uA级别，双极型输入级别，双极型输入OPA656的偏置电流在的偏置电流在nA级别，级别，FET输入输入4. 运放指标运放指标-偏置电流偏置电流2021-11-11模拟电子电路基础讲座224. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座23 轨到轨输入和输出运放：轨到轨输入和输出运放： 输入和输出

11、摆幅非常接近供电电源轨。输入和输出摆幅非常接近供电电源轨。 轨到轨输出运放：轨到轨输出运放： 输出摆幅非常接近供电电源轨，输出摆幅非常接近供电电源轨， 输入在高电平处需要输入在高电平处需要1.5V的净空。的净空。 非轨到轨运放：非轨到轨运放： 输入和输出在高电平和低电平处都需要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一定的净空才能保证不发生削顶/底。底。OPA365: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND 5VGNDVoltageInput Signal RangeOPA335: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND 5VGNDVoltageOutput Si

12、gnal RangeuA741Voltage3.5VVdd+Vdd-Input Signal RangeOutput Signal RangeInput Signal RangeOutput Signal Range4. 运放指标运放指标-输入电压范围输入电压范围2021-11-11模拟电子电路基础讲座24 对于输入电压范围对于输入电压范围正负电源轨正负电源轨都达不到的运放，不适合在都达不到的运放，不适合在单电源中应用。单电源中应用。 对于输入电压范围能达到对于输入电压范围能达到负电源轨负电源轨，达不到，达不到正电源轨正电源轨的运的运放，调节直流偏置即可应用在单电源中。放，调节直流偏置即可应用

13、在单电源中。-+32674U1 OPA227V2 5R1 1kR2 1kVF1 +VG1V4 5R5 1kR6 1kVF3 V5 1.25+VG3-+32674U3 OPA350V1 1.254. 运放指标运放指标-输入电压范围输入电压范围2021-11-11模拟电子电路基础讲座254. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座26OPA337的噪声特性的噪声特性OPA335的噪声特性的噪声特性4. 运放指标运放指标-噪声特性噪声特性2021-11

14、-11模拟电子电路基础讲座274. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座28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，这个裕量从底。对输入也是一样。根据运放输出结构不同，这个裕量从数数mV到数到数V不等。不等。4. 运放指标运放指标-输出电压范围输出电压范围2021-11-11模拟电子电路基础讲座29轨到轨运

15、放轨到轨运放OPA354非轨到轨运放非轨到轨运放LM324在单电源供电中选择轨到轨（在单电源供电中选择轨到轨（rail to rail）更方便使用。）更方便使用。4. 运放指标运放指标-输出电压范围输出电压范围2021-11-11模拟电子电路基础讲座30V5V5V5+-+U2 OPA364V1 5R1 1kR2 1kR3 1kR4 1k+VG1VF1 VF2 -+321411U1 LM324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。较大信号时就会消峰。TINA-TI仿真结果如下：仿真结果如下：4.

16、 运放指标运放指标-输出电压范围输出电压范围2021-11-11模拟电子电路基础讲座314. 运放指标运放指标输入阻抗输入阻抗带宽带宽失调电压失调电压偏置电流偏置电流输入电压范围输入电压范围噪声特性噪声特性输出电压范围输出电压范围压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座32输出信号的最大斜率，表示运放输出大幅度信号的能力。输出信号的最大斜率，表示运放输出大幅度信号的能力。( )sin(2 )S tAft(max)2SfA输出输出50MHz正弦信号时，振幅可以达到正弦信号时，振幅可以达到6V。4. 运放指标运放指标-压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座33压摆率限制了

17、输出大信号的带宽压摆率限制了输出大信号的带宽4. 运放指标运放指标-压摆率压摆率2021-11-11模拟电子电路基础讲座345.运放选型步骤运放选型步骤放大电路指标要求放大电路指标要求 负载负载1k 放大倍数放大倍数128倍倍 输入输入1kHz, 200mVpp正弦波，要求增益精度正弦波，要求增益精度1% 输入输入100mV直流电平，要求增益精度直流电平，要求增益精度1% 2021-11-11模拟电子电路基础讲座351) 供电电压供电电压 200mVpp128 = 25.6Vpp需要30V(15V)供电的放大器(考虑轨到轨特性) 2) 失调电压失调电压 Vos 增益精度增益精度1% 所以所以V

18、os 128kHz, 实际应实际应用中留用中留10-100倍的裕量，倍的裕量，GBW取取2MHz以上。以上。5.运放选型步骤运放选型步骤2021-11-11模拟电子电路基础讲座364)压摆率压摆率 最大电压最大电压25.6Vpp,1kHz26.28 12.8V 1kHz=0.08V/sSRfA留留10-100倍的裕量，因此选择倍的裕量，因此选择1V/s以上。以上。5)综上综上 Vs30V，Vos2MHz，SR1V/s 可选择可选择OPA227，OPA209，OPA211 5.运放选型步骤运放选型步骤2021-11-11模拟电子电路基础讲座376.运放单电源工作运放单电源工作-反相放大反相放大单

19、电源运放的设计要点是偏置电压的设定单电源运放的设计要点是偏置电压的设定反相放大反相放大DC耦合方式耦合方式12021-11-11模拟电子电路基础讲座38反相放大反相放大DC耦合方式耦合方式26.运放单电源工作运放单电源工作-反相放大反相放大2021-11-11模拟电子电路基础讲座39反相放大反相放大AC耦合方式耦合方式6.运放单电源工作运放单电源工作-反相放大反相放大2021-11-11模拟电子电路基础讲座40同相放大同相放大DC耦合耦合16.运放单电源工作运放单电源工作-同相放大同相放大2021-11-11模拟电子电路基础讲座41同相放大同相放大DC耦合耦合26.运放单电源工作运放单电源工作

20、-同相放大同相放大2021-11-11模拟电子电路基础讲座42同相放大同相放大AC耦合耦合6.运放单电源工作运放单电源工作-同相放大同相放大2021-11-11模拟电子电路基础讲座43差动放大差动放大DC耦合耦合6.运放单电源工作运放单电源工作-差动放大差动放大2021-11-11模拟电子电路基础讲座44当出现匹配要求时，用同相比例运算电路当出现匹配要求时，用同相比例运算电路输入电阻为输入电阻为507.运放应用特例运放应用特例2021-11-11模拟电子电路基础讲座45如何使减法器的加权系数一致如何使减法器的加权系数一致3ffoi2i11231(1)()RRRuuuRRRRffoi2i121R

21、RuuuRR1f23/RRRR7.运放应用特例运放应用特例2021-11-11模拟电子电路基础讲座46仪表放大器仪表放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗具有高共模抑制比、高输入阻抗 在在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下的条件下 G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3) 7.运放应用特例运放应用特例2021-11-11模拟电子电路基础讲座471)类型类型 通同放大器通同放大器 差分放大器差分放大器 仪用放大器仪用放大器 小功率驱动电路小功率驱动电路8.放大器设计放大器设计举例举例放大器设计是各类竞赛题中均包含的内容放大器设计是各类竞赛题中均包含的内容2021-11-11模拟电子电路基础讲座

22、482)指标指标 宽带宽带 高增益（可调）高增益（可调） 高输出电压（或有输出功率要求）高输出电压（或有输出功率要求） 阻抗匹配阻抗匹配 失真失真 带内增益起伏：带内增益起伏：(09、13年、均要求带内增益波动年、均要求带内增益波动1dB) 矩形系数矩形系数8.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座49v20dBA i20mVU o200mVU 在在020dB可调可调L0.3MHzf H20MHzf在在1MHz15MHz频带内增益起伏频带内增益起伏1dB输入阻抗输入阻抗=50 输出阻抗输出阻抗=50 基本要求基本要求3)2013 D题分析题分析8.放大器设计放大器

23、设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座50v60dBA i1mVU o1VU 在在060dB可调可调在在1MHz80MHz频带内增益起伏频带内增益起伏1dBL0.3MHzf H100MHzf发挥部分发挥部分onpp100mVU8.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座51设计方案设计方案8.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座52带宽指标主要通过新型高性能的运放实现带宽指标主要通过新型高性能的运放实现固定增益固定增益OPA690OPA2694功率放大器功率放大器AD8321THS3201可调增益可调增益VCA821AD

24、8009THS3201OPA847AD8367THS3091AD603 VCA8208.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座53高增益采用多级放大器实现高增益采用多级放大器实现典型的方案是采用典型的方案是采用34级放大器级放大器增益可调增益可调手动调整手动调整程控增益运放程控增益运放程控衰减器程控衰减器各级增益分配各级增益分配: 6dB,14dB,-4040dB,20dB程控步进衰减模块（程控步进衰减模块（PE4306）8.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座54带内增益波动带内增益波动级间阻抗匹配级间阻抗匹配频率补偿频率补偿阻抗

25、匹配阻抗匹配输入端设置阻抗匹配网络输入端设置阻抗匹配网络输出端设置阻抗匹配网络输出端设置阻抗匹配网络用同相比例运算电路用同相比例运算电路输出端串输出端串50 电阻电阻选增益曲线平坦的器件选增益曲线平坦的器件8.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座55降低噪声降低噪声选器件选器件布局、屏蔽、去耦、接地布局、屏蔽、去耦、接地运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波信号耦合用电解电容并信号耦合用电解电容并高频瓷片电容高频瓷片电容以免高频增益下降以免高频增益下降数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开数字电路部分和模拟电路部分的电

26、源严格分开数字地和模拟地一点相连数字地和模拟地一点相连8.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座56测量方法测量方法信号源内阻为信号源内阻为50 ，先将信号源信号幅度设置，先将信号源信号幅度设置为为1mV，然后，再设置为，然后，再设置为20mV。示波器采用高。示波器采用高阻输入方式，作品带着负载电阻测试。阻输入方式，作品带着负载电阻测试。8.放大器设计放大器设计举例举例2021-11-11模拟电子电路基础讲座571)反相输入端寄生电容反相输入端寄生电容 反相节点对寄生电容反相节点对寄生电容(CSTRAY)非常的敏感，非常的敏感，RF,RG 及及 CSTRAY 在传

27、输系在传输系统上会带来零点，从而导致放大器的不稳定。统上会带来零点，从而导致放大器的不稳定。 1pF大小的大小的CSTRAY 就能使就能使放大器不稳定。放大器不稳定。jOUTV9.高速放大电路布局布线高速放大电路布局布线 2021-11-11模拟电子电路基础讲座58减小输入端的寄生电容的方法减小输入端的寄生电容的方法 将反相输入端附近的将反相输入端附近的地层和电源层挖空地层和电源层挖空 将电阻电容等元件尽量靠近反相输入端，减少线的长度将电阻电容等元件尽量靠近反相输入端，减少线的长度 减小减小RF 和和RG 的大小的大小 增大增大RF/RG 在在RF 两端增加补偿电容两端增加补偿电容GCOMPSTRAYFRCCRGGFRFRR9.高速放大电路布局布线高速放大电路布局布线 2021-11-11模拟电子电路基础讲座592)输出寄生电容输出寄生电容 运算放大器对输出寄生电容很敏感。实际运算放大器有很小的输出电阻运算放大器对输出寄生电容很敏感。实际运算放大器有很小的输出电阻(RO) ，RO 和和 CSTRAY 也会在传输系统