电子系统设计与实践第二讲运放及其应用

1、 电子系统设计与实践电子系统设计与实践 第二讲第二讲 运放及其应用运放及其应用 高明煜高明煜 运放及其应用运放及其应用一一. .运放分类运放分类n集成运放按功能分：集成运放按功能分：A.A.通用运放通用运放: : 如如LM358,LM324LM358,LM324，NE5532A,TL064NE5532A,TL064B.B.斩波放大器斩波放大器: OP177, AD8551: OP177, AD8551C.C.差分放大器：差分放大器：AD8137AD8137D.D.仪器放大器：仪器放大器：INA128INA128E.E.隔离放大器：隔离放大器：AD215, ISO121AD215, ISO121

2、F.F.增益可变或可编程放大器：增益可变或可编程放大器： PGA102, PGA207PGA102, PGA207 运放及其应用运放及其应用G.G.音频功率放大器：音频功率放大器：AD547T, LM1875TAD547T, LM1875T，TPA0211 TPA0211 H.H.视频放大器：视频放大器：AD8051AD8051，OPA3693OPA3693I.I.射频放大器：射频放大器：AD8353AD8353，THS4271THS4271J.J.对数放大器：对数放大器：LOG101LOG101K.K.特殊放大器：特殊放大器：XTR112(XTR112(热电阻传感器用）热电阻传感器用） RC

3、V420(4-20mARCV420(4-20mA接收）接收）运放及其应用运放及其应用二二. .集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标 集成运放有很多技术指标集成运放有很多技术指标, ,但可以归纳成四大类但可以归纳成四大类: :n速度类速度类: :如如GBW, SRGBW, SRn精度精度: V: VIOIO, I, IIBIBn增益和噪声抑制能力增益和噪声抑制能力: CMRR, GAIN: CMRR, GAINn电源电源: V: VCCCC, I, IQ Q运放及其应用运放及其应用1.1.单位增益带宽单位增益带宽GBW (GBW (增益带宽积增益带宽积) ) 单位增益带宽定义为，运放的闭

4、环增益为单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为0dB0dB（1 1倍）条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到倍）条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降增益下降 3db3db（或是相当于运放输入信号的（或是相当于运放输入信号的0.7070.707倍）时所对应的信号频率。倍）时所对应的信号频率。 GBW = Avd fH A Avdvd为中频开环差模增益为中频开环差模增益 f fH H为上限截止频率为上限截止频率(-3dB)(-3dB) 运放及其应用运放及其应用 举例说明：举例说明：从技术手册上查询可知，从技术手册上查询

5、可知，TL064的，的，因此如用因此如用TL064设计一个放大器，放大器的增益为：设计一个放大器，放大器的增益为： d时，则时，则d时，则时，则 由上面分计算可知，当被放大的信号频率较高时，放大由上面分计算可知，当被放大的信号频率较高时，放大器的增益不宜过大，否则会造成信号失真器的增益不宜过大，否则会造成信号失真110510ZHZGBWMHFHGAIN110010ZHZGBWMHFkHGAIN2.2.转换速率（也称为摆率）转换速率（也称为摆率）S SR R 运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从一个大信

6、号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。定义为：运放的输出端测得运放的输出上升速率。定义为： 转换速率转换速率S SR R反映了运放对于高速变化的输入信号的响反映了运放对于高速变化的输入信号的响应情况。对于一般运放其转换速率应情况。对于一般运放其转换速率S SR R=10V/s10V/s10V/s。目前的高速运放最高。目前的高速运放最高转换速率转换速率S SR R可达可达6000V/s6000V/s。 maxdtduSOR 举例说明举例说明: : 对于对于TL064TL064来说，其来说，其S SR R=3.5V/=3.5V/s,s,因此当输入信因此当输入信号

7、频率号频率f=100 kzf=100 kz时，其最大不失真输出电压时，其最大不失真输出电压 : : n通用运放的通用运放的S SR R一般为一般为1-10V/1-10V/s,s,而高速运放可达而高速运放可达 1000V/1000V/s.s.n如如LM324:LM324:它的它的S SR R=0.5V/=0.5V/s,s,如把它接成电压跟随器，如把它接成电压跟随器，当输入信号频率当输入信号频率f=100 kzf=100 kz、幅度超过、幅度超过0.8V0.8V时，时，则它的输出会出现失真。则它的输出会出现失真。63max3.5 105.57322100 10RomSUVf3.3.输入失调电压输入

8、失调电压U Uioio 由于集成运放的输入级电路参数不可能由于集成运放的输入级电路参数不可能完全完全对称，所以当输入电压为零时，输出电压对称，所以当输入电压为零时，输出电压U UO O并不一并不一定为零。为使得集成运放的输出端电压为零，需在定为零。为使得集成运放的输出端电压为零，需在输入端额外增加一个补偿电压，将该补偿电压定义输入端额外增加一个补偿电压，将该补偿电压定义为输入失调电压为输入失调电压, ,即有：即有： 输入失调电压是加在两输入端之间，使输出为输入失调电压是加在两输入端之间，使输出为零所需要的电压。输入失调电压与外电路无关，由零所需要的电压。输入失调电压与外电路无关，由运放自身性能

9、所决定。运放自身性能所决定。oioUUGAIN4.4.温漂电压：温漂电压：U Uioio/ 单位温度变化所引起的输入失调电压。单位温度变化所引起的输入失调电压。 如：如：LM324,LM324,它的温漂为它的温漂为 1 1V/V/。5.5.输入失调电流输入失调电流I IIOIO 输入失调电流定义为当运放的输出直流电压输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。运放对称为零时，其两输入端偏置电流的差值。运放对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对于性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别小信号精密放大或是直流放大有重要影

10、响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如是运放外部采用较大的电阻（例如10k10k 或更大或更大时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。对于精密运放是一个极为重要的指标。6.6.输入偏置电流输入偏置电流IIBIIB 输入偏置电流定义为当运放的输出直流输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流的电压为零时，其两输入端的偏置电流的平均

11、值平均值. .即即 , ,一般来说，一般来说， 此时：此时： 故由于输入偏置电流故由于输入偏置电流IIBIIB的存在，的存在， 当当R1R2R1R2时，将产生较大的输入和输出时，将产生较大的输入和输出 误差电压。误差电压。 例如：例如：LM324LM324运放的运放的IIB=20nAIIB=20nA，若，若 取取:R1=10k:R1=10k，R2=9kR2=9k， 放大器闭环增益放大器闭环增益Gain=100Gain=100。 则则1212()ibbIBUIRIRIRR1()2IBbbIIIIb+Ib-R1R2iU图1-2 集成运放的输入偏置电流bbIIoU201002VmV936iU =20

12、 101 1020 1020VVV 7.7.共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR 共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。模增益与共模增益的比值。CMRRCMRR是衡量输入级差放对称是衡量输入级差放对称程度及表征集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。一程度及表征集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。一般运放的共模抑制比在般运放的共模抑制比在7070130dB130dB之间。之间。8.8.电源电压电源电压+VCC/-VEE+VCC/-VEE 集成运放必须外接电源才能工作，电源电压的大小集成运放必须外接电源才能工作，电源电压的大小

13、决定了最大输出电压的大小。集成运放有两种供电方式：决定了最大输出电压的大小。集成运放有两种供电方式：单电源供电和对称双电源供电。单电源一般为单电源供电和对称双电源供电。单电源一般为5-32V5-32V；双电源一般为双电源一般为3V-3V-18V18V。 20lgAvdCMRRAvc9.9.静态工作电流静态工作电流 静态电流指在一定的电源电压供给范围内，输入信号为静态电流指在一定的电源电压供给范围内，输入信号为零时，运放自身所消耗的电流。例如，零时，运放自身所消耗的电流。例如，OPA 277OPA 277的静态电流为的静态电流为0.024mA0.024mA。一般来说，希望运放的静态电流越小越好。

14、一般来说，希望运放的静态电流越小越好。10.10.输出峰输出峰- -峰值电压峰值电压U UO Omaxmax 当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前电源电压供电时能够输出的最大电压幅度。需要注意的是，电源电压供电时能够输出的最大电压幅度。需要注意的是，运放的输出峰运放的输出峰- -峰值电压与负载、电源电压、工作频率有关。峰值电压与负载、电源电压、工作频率有关。 输出电压：（输出电压：（V-V-）+4 to +4 to （V+V+）-4-411.11.最大共模输入电压最大共模输入电压U UI Icmaxcmax 当运放工作于线性区时，在运

15、放的共模抑制比特性显著当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB 6dB 时所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。时所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。 输入电压：（输入电压：（V-V-）+5 to +5 to （V+V+）-5-512.12.输出电流输出电流 运放的输出电流反映了运放带负载的能力。常见运放的运放的输出电流反映了运放带负载的能力。常见运放的输出电流为几十毫安，输出电流为几十毫安，如如LM358, Io+ = 20mA, Io- = 30mALM358, Io+

16、= 20mA, Io- = 30mA13.13.差模输入阻抗差模输入阻抗 运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。双极型晶体管做输入级的入电容，在低频时仅指输入电阻。双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于运放的输入电阻不大于1010兆欧；场效应管做输入级的运放的兆欧；场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于输入电阻一般大于10001000兆欧。放大器输入阻抗大，则对前级兆欧。放大器输入阻抗大，则对前级影

17、向小。影向小。14.14.输出阻抗输出阻抗 输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。输出阻抗小，意味着运放带在低频时仅指运放的输出电阻。输出阻抗小，意味着运放带负载能力强。负载能力强。三. 典型运放介绍 1.1.普通运放普通运放注意：注意：输出输出最大电压与最大电压与运放供电电运放供电电压、负载电压、负载电阻、工作频阻、工作频率有关！率有关！常用运放一览表常用运放一览表运放主要生产商：运放主要生产商：nW

18、WW.ANALOG.COMnWWW.TI.COMnWWW.NATIONAL.COMnWWW.ST.COMnWWW.ONSEMI.COM四、集成运放的使用要点四、集成运放的使用要点1 1、电源供电方式、电源供电方式注意单、双电源，极限供电电压。注意单、双电源，极限供电电压。2 2、集成运放的调零问题、集成运放的调零问题由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当运算电路输入信号为零时，输出往往不等于零。当运算电路输入信号为零时，输出往往不等于零。集成运放的自激振荡问题集成运放的自激振荡问题运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深运算放

19、大器是一个高放大倍数的多级放大器，在接成深度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定度负反馈条件下，很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。的工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。4 4集成运放的保护问题集成运放的保护问题集成运放的安全保护有三个方面：电源保护、输入保护集成运放的安全保护有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护和输出保护。 五单元电路设计五单元电路设计仪器放大器仪器放大器仪器放大器又称数据放大器：是一种高性能放大器，它仪器放大器又称数据放大器：是一种高性能放大器，它一般具有高增益、高共模抑制比、高精度、高速等

20、特点。仪一般具有高增益、高共模抑制比、高精度、高速等特点。仪器放大器常用在输入级作信号处理。器放大器常用在输入级作信号处理。 （1 1）. .普通运放构成的仪器放大器普通运放构成的仪器放大器 22311211RRUUUUicRR33412111RRUUUUicRR如需输出不含共模分量，输出级须完全对称，则如需输出不含共模分量，输出级须完全对称，则要求：要求：R4/R6=R7/R5R4/R6=R7/R566( 123)( 21)( 43)414ORR RRR UUUUURR R2 21211dUoRAUUR 如令如令R2=R3,R4=R5=R6=R7R2=R3,R4=R5=R6=R7，则得，则得

21、：故改变故改变R1R1，即改变放大器增益，即改变放大器增益AdAd n设计要点设计要点: :nA1A1和和A2A2级可设计成高增益，而不致引起较大级可设计成高增益，而不致引起较大的直流失调。的直流失调。n输出级输出级A3A3尽量用小电阻，以便减少直流失调尽量用小电阻，以便减少直流失调（IbIb引起的）引起的）nR4R4R7R7阻值要尽可能相等阻值要尽可能相等nA1A1和和A2A2要选同一芯片上双运放，这样可利用要选同一芯片上双运放，这样可利用电路的对称性减少温漂引起的影响。电路的对称性减少温漂引起的影响。（）集成运放（）集成运放INA128INA128介绍介绍 内部结构图22(1)( 12)O

22、RUUURw可编程增益放大器可编程增益放大器（1 1）、用数控电位器实现可编程增益放大器）、用数控电位器实现可编程增益放大器数控电位器数控电位器X9312技术参数技术参数:Vcc=5V, Ic=1mAR=50k电位器可调级数电位器可调级数:100级级, 阻值存贮阻值存贮按键式按键式3线控制线控制/CS /INC U/ /D 阻值阻值L Pulse H 升升L Pulse L 降降H 不变不变（2）集成可编程增益放大器（PGA204） A1A0=00, G=1 A1A0=01 , G=10 A1A0=10, G=100 A1A0=11, G=1000、隔离放大器、隔离放大器在医用仪器等产品中需要

23、对被测信号进行电气隔离，电气隔离有两种方式： 用光耦隔离,用于低频 用变压器磁隔离 ,用于高频（1）用线性光耦隔离 TIL300技术指标： BW:200KHz VF=1.25V IFmax=50mA 隔离电压3500V 线性度：3122,2,31PPFFIIKKKIIKK1= 1221222222111PPFIKUUoIRKIRKRRKKR2311RUoKUR211RUR= 这里K3=1，由手册给定。而IF=1nA20mA。经实测全量程内（02.5V）线性度在0.2%内。 设:（2 2）专用隔离放大器（）专用隔离放大器（AD210AD210） 应用电路:、精密度整流电路、精密度整流电路 一般二极管硅管压降为一般二极管硅管压降为0.7V,0.7V,锗管为锗管为0.3V,0.3V,肖特基二极管肖特基二极管压降为压降为0.2V.0.2V.并且从二极管转移特性可知，它是非线性的。并且从二