第三講-放大器應(yīng)用問題

第三講-放大器應(yīng)用問題第一頁，共103頁。運算放大器的供電問題噪聲靜態(tài)OpAmp的限制動態(tài)OpAmp的限制內(nèi)容提要第二頁，共103頁。運算放大器需要外部提供電源給晶體管內(nèi)部提供偏置通過運算放大器將電源給輸出負載和反饋網(wǎng)絡(luò)供電3.1

運算放大器的供電問題第三頁，共103頁。運算放大器外部電源一般來說模擬電路：VCC=+15vVEE=-15v模數(shù)混合電路：VCC=+5vVEE=0v第四頁，共103頁。運算放大器外部電源的接法仿真電路：虛擬器件管腳實際運算放大器電路：每塊IC片子的電源管腳都必須利用低感抗的電容器對地旁路。第五頁，共103頁。作用：防止存在于電源線中干擾運算放大器地交流噪聲。這些解耦電容器也有助于中和掉來自電源線和地線的非零電抗所形成的虛假反饋環(huán)路，這些環(huán)路可能造成穩(wěn)定性問題。第六頁，共103頁。具體接法：電源電壓入口電接10極化電容器。利用寬地線有助于保持純凈的參考地。電容器應(yīng)盡量靠近運算放大器管腳。第七頁，共103頁。輸出飽和電源電壓VCC和VEE設(shè)定了運算放大器在輸出上下擺動能力的邊界。第八頁，共103頁。對于雙極性運放大器，VOH和VOL一般低于VCC和VEE幾個pn結(jié)壓降，大約2V。即對于對稱±15V電源來說，飽和電壓也近似為對稱的±13V。對于單電源供電的運算放大器，例如VCC＝9V和VEE＝0V，VOH≈7V，VOL≈2V。第九頁，共103頁。動態(tài)輸出范圍：與運算放大器型號有關(guān)與運算放大器不同樣件有關(guān)，這是因為生產(chǎn)過程的變化，溫度漂移和輸出負載變化等因素造成的，具體可參閱產(chǎn)品說明書。

在低電源電壓供電系統(tǒng)中，就需要運算放大器有最大的動態(tài)輸出范圍。稱之為蹺蹺板（rail-to-rail）式的運算放大器，被設(shè)計成在中等輸出負載下，使vo一直擺動上至VCC和和下至VEE。第十頁，共103頁?；旌蠑?shù)字－模擬系統(tǒng)通常信號是限制在0V-5V范圍內(nèi)的。對于所有模擬源和負載的終端條件下，就會需要一個在的參考電壓，據(jù)此就容許對這個公共參考點有對稱的電壓擺動。第十一頁，共103頁。第十二頁，共103頁。例：利用741實現(xiàn)的反相放大器，A＝-2，現(xiàn)受一個±10V峰－峰值的三角波驅(qū)動，概略畫出vI,vO和vN對時間的波形并進行標注。第十三頁，共103頁。

當-6.5V＜vI＜＋6.5V時，運算放大器工作在線性區(qū)

放大倍數(shù)是2，輸出范圍為±20V，部分飽和

輸出范圍-13V～＋13V第十四頁，共103頁。

當vI＜－6.5V時，，電路特性與vI

＞＋6.5V的情況是對稱的。

當vI＞＋6.5V時，嵌位輸出波形第十五頁，共103頁。3.2

噪聲

噪聲通常是指任何會污損或干擾所關(guān)心信號的不希望的擾動。直流噪聲：偏置電流和輸入失調(diào)電壓引起的失調(diào)誤差等交流噪聲：外部噪聲（干擾噪聲）

內(nèi)部噪聲（固有噪聲）第十六頁，共103頁。干擾噪聲的產(chǎn)生

是由于電路和外界之間，甚至是電路自身的不同部分之間多余的相互作用產(chǎn)生的。

電的相互作用和磁的相互作用，是通過相鄰電路之間或同一電路的相鄰部分之間的寄生電容和互感產(chǎn)生的。

電磁干擾的出現(xiàn)因為每根導(dǎo)線和引線都構(gòu)成一個潛在的天線。外部噪聲也可能會在無意間通過接地總線和供電電源總線進入電路。

干擾噪聲可以是周期的，間歇的或完全隨機的。第十七頁，共103頁。固有噪聲的產(chǎn)生

盡管能夠設(shè)法消除干擾噪聲，電路總會存在固有噪聲。這種噪聲形式本質(zhì)上就是隨機的。

它源于各種隨機現(xiàn)象。例如，電阻中電子的熱運動，半導(dǎo)體中電子空穴對隨機地產(chǎn)生和重組等。第十八頁，共103頁。信噪比

表示在噪聲存在條件下信號的質(zhì)量，SNR越差，就越難從噪聲中恢復(fù)有用信號。信號的均方根（rms）值噪聲分量的rms值第十九頁，共103頁。噪聲源熱噪聲

熱噪聲也成約翰遜噪聲，存在于包括實際電感和實際電容的雜散串聯(lián)電阻在內(nèi)的所有無源電阻元件中。

熱噪聲主要是由電子的隨機熱運動所產(chǎn)生的，它不受直流電流的影響，因此電阻甚至是靜放在任何地方也會產(chǎn)生熱噪聲。第二十頁，共103頁。散粒噪聲

無論何時對一個勢壘（如二極管或晶體管）充電，都會產(chǎn)生散粒噪聲。穿過勢壘完全是一個隨機事件。

閃爍噪聲也稱為噪聲或接觸噪聲。它存在于所有有源器件和某些無源器件中。閃爍噪聲第二十一頁，共103頁。根據(jù)器件類型的不同，產(chǎn)生閃爍噪聲的原因是多方面的。在有源器件中，主要原因是陷阱。當電流流過時，它會隨機地捕獲和釋放電荷載流子，因此會引起電流本身隨機的波動。閃爍噪聲也存在于某些無源器件中，在炭質(zhì)電阻中，除了已存在的熱噪聲外還含有閃爍噪聲，因此這種噪聲稱為附加噪聲。然而熱噪聲在沒有直流電流的情況下也可能存在，而閃爍噪聲要求有直流電流才存在。第二十二頁，共103頁。雪崩噪聲

雪崩噪聲存在于工作在反向擊穿模式的pn結(jié)中。與散粒噪聲類似，雪崩噪聲也要求有電流流動。

除雪崩噪聲以外，晶體管一般含有以上所有噪聲。BJT噪聲第二十三頁，共103頁。熱噪聲對于BJT來說，噪聲的功率密度本征基極電阻直流基極電流和集電極電流跨導(dǎo)適當?shù)钠骷?shù)正向電流增益（它會在高頻下降）熱噪聲集電極電流散粒噪聲的影響基極電流散粒噪聲和閃爍噪聲反映到輸入端的集電極電流散粒噪聲第二十四頁，共103頁。OpAmp噪聲運算放大器的噪聲可用三個等效的噪聲源來表征兩個密度為和的電流源一個頻譜密度為的電壓源一個頻譜密度為的電壓源

實際的放大器看成是一個輸入端配上三個這種噪聲源的無噪聲放大器第二十五頁，共103頁。電阻反饋電路的噪聲模型關(guān)注總rms的輸出噪聲Eno，將它換算到輸入端與有用信號進行比較，從而確定信噪比SNR。第二十六頁，共103頁?？傒斎腩l譜密度具有對稱輸入端和不相關(guān)噪聲電流的運算放大器

是數(shù)據(jù)單中給出的噪聲電流密度總輸入頻譜密度可使第二十七頁，共103頁。短路噪聲開路噪聲由運算放大器內(nèi)部元件產(chǎn)生，與外部電路無關(guān)由輸入偏置電流流過外部電路造成第二十八頁，共103頁。輸出噪聲頻譜密度rms輸出噪聲集成電路的噪聲主要是由白噪聲和噪聲混合而成。低頻噪聲其主要作用，高頻白噪聲起主要作用，并且頻帶越寬，噪聲就越大是白噪聲電平是邊界頻率第二十九頁，共103頁。低噪聲設(shè)計中需要考慮的問題選擇具有低噪聲電平和低邊界頻率的運算放大器保持外部電阻足夠小，以使電流噪聲和熱噪聲與電壓噪聲相比可以忽略把噪聲增益帶寬嚴格限制在要求的最小值上第三十頁，共103頁。例：將741運算放大器連接成反向放大器，且已知求大于0.1Hz的總輸出噪聲rms值。解：輸入一個峰值幅度為0.5V的交流信號，求電路的SNR。第三十一頁，共103頁。噪聲電壓分量電流噪聲分量熱噪聲分量第三十二頁，共103頁?？偟妮敵鲈肼時msSNR對于噪聲來說，和遠大于，可通過縮小所有電阻值來改善電路性能。第三十三頁，共103頁。低噪聲OpAmp運算放大器噪聲特性中的品質(zhì)因素有白噪聲電平和，頻率和，他們的值越低，運算放大器的噪聲就會越少。差分輸入對噪聲適當選擇晶體管型號，幾何尺寸和工作電流可以使差分輸入對產(chǎn)生的噪聲最小。第三十四頁，共103頁。用戶是無法控制運算放大器的噪聲特性的，然而，大致理解這些特性是如何產(chǎn)生的，有助于器件的選擇過程。電壓噪聲和電流噪聲非常依賴于輸入級差分晶體管對的制造工藝和工作條件。電壓噪聲還會受輸入對的負載和第二級的影響。當后面各級產(chǎn)生的噪聲換算到輸入端時，它的值通常是很小的，這是因為要將這個噪聲除以所有正向通路上的總增益。第三十五頁，共103頁。輸入級中間級輸出級偏置電路uPuNuO

集成運放電路方框圖集成運放的電路結(jié)構(gòu)特點第三十六頁，共103頁。一、輸入級：采用差分放大電路，兩個輸入端，減少溫漂。二、中間級：提供較高的電壓放大倍數(shù)，共射放大電路，復(fù)合管放大，有源負載，放大上千倍。第三十七頁，共103頁。三、輸出級：提供一定的電壓、電流變化幅度，互補對稱輸出，帶負載能力強。四、輔助環(huán)節(jié)：偏置電路（提供各級靜態(tài)電流）；電平偏移電路（調(diào)節(jié)各級電壓配合，使輸入端對地電壓為0時，輸出端對地電壓也為0）；短路保護（輸出端短路時保護管子）。第三十八頁，共103頁。通用型集成運放F007電路原理圖第三十九頁，共103頁。四、采用復(fù)合管改善單管的性能。結(jié)構(gòu)特點：一、不能做大C、L，只能采用直接耦合方式。二、為克服溫漂，輸入級采用差分放大電路。三、用管子構(gòu)成的恒流源代替大R及設(shè)置Q。五、中間級多采用共射放大電路。六、輸出級多采用互補式電壓跟隨電路。第四十頁，共103頁。直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象零點漂移現(xiàn)象：輸入電壓為零，輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因：由于溫度變化引起半導(dǎo)體參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象的主要原因，因此也稱零點漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。輸入級采用差分電路的原因：第四十一頁，共103頁。抑制溫漂的方法：在電路中引入直流負反饋。利用熱敏元件抵消放大管的變化。采用差分放大電路。第四十二頁，共103頁。典型的差分放大電路

差動放大電路原理合理選擇Re的阻值，并與電源VEE相配合，就可以設(shè)置合適當靜態(tài)工作點。第四十三頁，共103頁。差動的含義：只有當兩個輸入端之間有差別，輸出電壓才有變動。差動放大器具有抑制共模信號放大差模信號的特性。溫漂和噪聲等效成共模信號被抑制。第四十四頁，共103頁。共模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)共模抑制比第四十五頁，共103頁。改進的差分放大電路增大Re能有效抑制每一邊電路的溫漂，提高共模抑制比。為既能采用較低的電源電壓，又能有很大的等效電阻Re，采用恒流源電路取代Re。第四十六頁，共103頁。差動放大電路的四種接法雙端輸入，雙端輸出雙端輸入，單端輸出單端輸入，雙端輸出單端輸入，單端輸出第四十七頁，共103頁。單端輸入，在差模信號輸入的同時，伴隨共模信號的輸入。與輸出方式有關(guān)。第四十八頁，共103頁。實例分析差分放大電路開關(guān)向左典型的差動放大電路開關(guān)向右改進的差動放大電路第四十九頁，共103頁。連接規(guī)則1、連接＋和common端子輸出正極性信號，幅值等于信號發(fā)生器有效值。2、連接common和－端子輸出負極性信號，幅值等于信號發(fā)生器有效值。雙端輸入函數(shù)信號發(fā)生器的面板第五十頁，共103頁。連接規(guī)則3、連接＋和－端子輸出信號的幅值等于信號發(fā)生器有效值的兩倍。4、連接＋、common和－端子，且common端與地相連輸出兩個幅度相等，極性相反的信號。函數(shù)信號發(fā)生器的面板第五十一頁，共103頁。信號源的接入信號源設(shè)置雙端接入電路圖第五十二頁，共103頁。

Simulate—Analyses—TransientAnalysis

瞬態(tài)分析菜單第五十三頁，共103頁。

瞬態(tài)分析設(shè)置第五十四頁，共103頁。電壓峰峰值差單端輸出電壓放大倍數(shù)瞬態(tài)分析結(jié)果第五十五頁，共103頁。增添分析變量第五十六頁，共103頁。電壓峰峰值差雙端輸出電壓放大倍數(shù)分析結(jié)果第五十七頁，共103頁。后處理功能后處理第五十八頁，共103頁。后處理方法第五十九頁，共103頁。后處理分析結(jié)果第六十頁，共103頁。單端輸入單端輸入差動放大器電路第六十一頁，共103頁。電壓峰峰值差單端輸出電壓放大倍數(shù)瞬態(tài)分析結(jié)果第六十二頁，共103頁。分析結(jié)果電壓峰峰值差雙端輸出電壓放大倍數(shù)第六十三頁，共103頁。典型差動放大電路共模輸入第六十四頁，共103頁。瞬態(tài)分析結(jié)果瞬態(tài)分析結(jié)果第六十五頁，共103頁。電壓峰峰值差雙端輸出共模放大倍數(shù)分析結(jié)果第六十六頁，共103頁。分析結(jié)果電壓峰峰值差雙端輸出共模放大倍數(shù)改進差動放大電路共模輸入分析結(jié)果第六十七頁，共103頁。低噪聲運算放大器設(shè)計時，差分對BJT采用條狀（長且狹窄的發(fā)射級兩端都被基極接點包圍）實現(xiàn)的，使最小。當應(yīng)用要求大外部電阻時，F(xiàn)ET輸入運算放大器是較好的選擇，這是因為FET輸入級運算放大器的噪聲電流電平比BJT輸入運算放大器的噪聲電流電平的幾個數(shù)量級，至少在室溫附近是這樣的。對MOSFET來說，1/f噪聲也是一個重要因素，使用大面積器件可降低1/f噪聲分量。第六十八頁，共103頁。輸入對負載噪聲另一個重要的噪聲源是差分輸入對的負載，通用放大器中這個負載是用鏡像電流源有源負載來實現(xiàn)的，以使增益最大。然而有源負載的噪聲很大，這是因為它們會放大自身的噪聲電流，低噪聲運算放大器采用電阻性負載輸入級避免這個問題。第六十九頁，共103頁。3.3靜態(tài)OpAmp的限制只要運算放大器工作在恰當?shù)念l段和適度的直流增益下，實際工作特性和基于理想運算放大器模型預(yù)計的特性都會相當一致。第七十頁，共103頁。最關(guān)鍵的限制之一是開環(huán)增益只從直流到幾赫茲的范圍是高的，隨著頻率增加而降低。盡管可將工作頻率保持在一個相對較低的水平，另一些限制仍然會起作用。這些限制在高直流增益應(yīng)用場合尤其值得注意，一般統(tǒng)稱為輸入?yún)⒖颊`差，最常用的包括：輸入偏置電流輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電流交流噪聲密度和共模抑制比增益非線性度第七十一頁，共103頁。輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流實際的運算放大器在它們的輸入管腳都會吸收少量電流，對于某些應(yīng)用，這些電流可能會產(chǎn)生值得注意的誤差。輸入偏置電流輸入失調(diào)電流的幅度量級通常比小。的極性取決于輸入晶體管的類型，而的極性則取決于失配方向。第七十二頁，共103頁。由和引起的誤差很多電路一旦將它們的有源輸入都置為零的話，都可以簡化為下圖的形式。這些電路包括反相放大器、同相放大器，求和和差分放大器，I-V轉(zhuǎn)換器等。同相輸入端電壓誤差第七十三頁，共103頁。沒有任何輸入信號，電路仍產(chǎn)生某個輸出，稱之為輸出直流噪聲。由上式得出的結(jié)論電路產(chǎn)生的可考慮為某個輸入誤差或稱之為輸入直流噪聲經(jīng)放大倍而得到的，這個放大倍數(shù)稱為直流噪聲增益。誤差由兩部分組成：由流經(jīng)所產(chǎn)生的電壓降；由流經(jīng)組合所產(chǎn)生的電壓降。既然這兩部分的極性相反，那么它們就有互為補償?shù)内厔荨５谄呤捻?，?03頁。將變形為：若設(shè)：可以消去含有的項，誤差為：第七十五頁，共103頁。使，誤差正比于，它的幅度量級一般要比和小。采用具有足夠低的標稱值的運算放大器。通過縮小所有的電阻可以進一步降低，縮小電阻不會影響增益，但可以使輸入誤差縮小，然而縮小電阻會增加功率耗散，因此需要進行某種折衷。為使由和引起的誤差最小第七十六頁，共103頁。輸入失調(diào)電壓將運算放大器輸入短接由于輸入級兩部分之間存在失配為使必須在輸入管腳之間加入一個合適的校正電壓第七十七頁，共103頁。由引起的誤差

的取值可在毫伏到微伏范圍上變化。

對時間的積分得到的電壓斜坡可將運算放大器驅(qū)動到飽和狀態(tài)。第七十八頁，共103頁。研究和同時作用時的影響輸入失調(diào)誤差補償反相放大器同相放大器第七十九頁，共103頁。信號增益直流噪聲增益輸入的總失調(diào)誤差輸出的總失調(diào)誤差因為和極性是任意的，負號并不意味著這兩項有相互補償?shù)内厔?。第八十頁，?03頁。失調(diào)調(diào)零內(nèi)部失調(diào)調(diào)零內(nèi)部調(diào)零基于故意使輸入級失衡，以補償固有失配，并使誤差為零。第八十一頁，共103頁。外部失調(diào)調(diào)零外部調(diào)零基于將可調(diào)的電壓和電流注入到電路中，以補償電路的失調(diào)誤差。第八十二頁，共103頁。最大額定值與所有電子器件類似，運算放大器要求用戶考慮到某些電的和環(huán)境的限制。運算放大器額定值的工作溫度范圍商用范圍：0～＋70℃工業(yè)范圍：-25～＋85℃軍用范圍：-55～＋125℃第八十三頁，共103頁。絕對最大額定值：最大供電電壓最大差模輸入電壓最大共模輸入電壓最大內(nèi)部功率耗散第八十四頁，共103頁。3.4動態(tài)OpAmp的限制

實際運算放大器只從直流到給定頻率范圍之內(nèi)提供高增益，增益隨著頻率增加而降低，并且輸出相對輸入還會有一個延時，這些限制對電路的閉環(huán)特性有很大的影響。單位增益頻率上升時間閉環(huán)帶寬增益帶寬乘積全功率帶寬轉(zhuǎn)換速率建立時間第八十五頁，共103頁。開環(huán)響應(yīng)最常見的開環(huán)響應(yīng)是所謂的主極點響應(yīng)主極點頻率運算放大器的開環(huán)響應(yīng)開環(huán)直流增益第八十六頁，共103頁。開環(huán)-3dB頻率，也稱為開環(huán)帶寬。=0dB稱為單位增益頻率是常數(shù)。主極點補償?shù)倪\算放大器為恒定GBP運算放大器。第八十七頁，共103頁。閉環(huán)響應(yīng)環(huán)路增益T依賴于頻率將會使閉環(huán)響應(yīng)A也依賴于頻率同相放大器第八十八頁，共103頁?；啚榈男问椒答佉蜃永玫诎耸彭?，共103頁。單位增益頻率閉環(huán)增益的直流增益是，－3dB頻率是，也稱為閉環(huán)帶寬。同相放大器的增益帶寬乘積由此可得增益帶寬權(quán)衡，負反饋將增益降低，但是將帶寬擴展。這種擴頻帶技術(shù)是負反饋的一個重要優(yōu)點。第九十頁，共103頁。反相放大器反饋因子反相放大器的增益帶寬乘積這個值低于同相放大器的GBP，從帶寬最大的角度來看，同相放大器顯然更加可取。第九十一頁，共103頁。暫態(tài)響應(yīng)以電壓跟隨器為例，電壓跟隨器的小信號帶寬是，可將其頻率響應(yīng)寫為：從的10％上升到它的90％所用的時間稱為上升時間。這表明了時域參數(shù)與頻域參數(shù)的聯(lián)系，越高就越小。第九十二頁，共103頁。轉(zhuǎn)換速率極限SR:表示集成運放對信號變化速度的適應(yīng)能力指標。當輸入信號變化斜率的絕對值小于SR（伏特/微秒）時，輸出電壓才能按線性規(guī)律變化。

增大，為了能使輸出在內(nèi)完成從10％到90％的過渡，輸出響應(yīng)速率也會相應(yīng)增大。在實際中發(fā)現(xiàn)，當輸入階躍大于某個階躍幅值時，輸出斜率就會在某一個常數(shù)處飽和，這個常數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率SR。第九十三頁，共103頁。建立時間上升時間和轉(zhuǎn)換速率分別在小信號和大信號條件下，顯示了輸出變化的快慢程度，在許多應(yīng)用中，最關(guān)心的參數(shù)時建立時間。的定義為：大輸入階躍響應(yīng)從原點出發(fā)一直到開始穩(wěn)定并保持在一個給定的誤差范圍內(nèi)所需的時間。一般規(guī)定建立時間要達到10V輸入階躍響應(yīng)的0.1％和0.01％的精度。如AD843運算放大器對10V階躍的0.01％的精度來說，一般＝135ns。第九十四頁，共103頁。由4個時間段組成

由高階極點引起的初始傳輸延遲

受SR限制的變化過程

從與SR相關(guān)的過載狀態(tài)中恢復(fù)過程

最終平衡值的建立過