TI 运放放大器.ppt

1、,运算放大器的指标,1,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,4,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 offset voltage - 偏置电流 b

2、ias current - 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 slew rate 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 OPA140 FET输

3、入,5,输入端口相关的指标 带宽,手册中的截图，关键字（frequency response, 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),6,7,输入端口相关的指标 带宽,GBP (Gain Bandwidth Product) VFB 类型的运放受增益带宽积的限制 Gain * Bandwidth = GBP 例如 a) 带宽为1MHz GBP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）

4、中不受增益带宽积限制。,输入失调电压 （Input Offset Voltage）和输入偏置电流（Input Bias Current）,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（npn BJT或p沟道JFET）或流出（pnp BJT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

5、-； 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（offset voltage） 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: 25A (max) 低失调: 10V (max) 低温漂: 0

6、.05V/C (max) 低噪声: 1.1 VP-P 带宽: 350kHz Rail-to-Rail 输入和输出 1.8V to 5.5V 供电,9,10,输入端口相关的指标 偏置电流,手册中的截图，关键字（bias current） 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,10,11,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 OPA

7、656的偏置电流在nA级别，FET输入,11,12,输入端口相关的指标 输入电压范围,手册中的截图，关键字（input voltage, 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。,12,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OPA3

8、65，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

9、顶/底,Input Signal Range,OPA365: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND,5V,GND,Voltage,Output Signal Range,Input Signal Range,OPA335: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND,5V,GND,Voltage,Output Signal Range,Input Signal Range,uA741,Voltage,Output Signal Range,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

10、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。,14,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。,15,输出端口相关的指标 输出电压范围,手册中的截图，关键字（output swing） 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（

11、rail to rail）更方便使用。 轨到轨运放OPA354 非轨到轨运放LM324,16,17,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,18,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 slew rate,手册中截图，关键字（slew rate） 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

12、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 = slew rate。可以看到slew rate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THS3092 THS3092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.,19,输出端口相关的指标 压摆率 slew rate,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

13、 slew rate,缓冲一个10HMz的正弦信号，500mVpp = SR needs 30V/uS 5Vpp = SR needs 300V/uS,GBW = 280MHz SR = 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（power supply, quiescent current） 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， up to 100V，输出电流至50mA OPA3xx: CMOS, =5.5V,精密,直流特性出众,轨到轨,低噪低

14、功耗 LPV521最低功耗运放，静态电流小于1uA,22,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=-1 Vin = -1V to 1V, 正弦波 Vout = 1V to -1V, 正弦波 Vin和Vout为18

15、0度反向,双电源供电的一个例子：OPA227,VS+ = 5V，VS-=-5V 信号增益G=-1 Vin = -1V to 1V, 正弦波 Vout = 1V to -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=-1 Vin = -1V to 1V, 正弦波 Vout = 1V to 0V, 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=-1 Vin = -1V to 1V, 正弦波 Vout = DC, 因为OPA227不是

16、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=-1 Vin = -1V to 1V, 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 = 9V to 10V, 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=-1 Vin = -1V to 1V, 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

17、, 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=-1 Vin = -1V to 1V, 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=2 Vin = -1V to 1V, 正弦波 Vref=V+/2NG，加给同相端

18、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)=Vref Vin = -1V to 1V, 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 = (V