放大电路设计

[e-mail]基于集成运放的放大电路设计贾立新课程简介本课程是针对自动化、电子信息本科专业开设的一门大类基础课程。它是一门理论联系实际、综合性较强的实践课程，是对模电、数电、EDA技术、单片机原理等基础课程知识的拓宽、提高和综合应用。掌握模拟集成电路、CPLD/FPGA、SOC单片机的等常用集成器件的工作原理和应用，掌握常用单元电路的工作原理和设计方法，掌握运用现代设计工具完成综合电子系统的设计和调试方法，掌握电子设计文档的规范化写作方法，培养学生解决实际工程问题能力和相互协作的精神。授课计划电子系统的组成与类型由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体都可以称为电子系统。根据电子系统的功能不同，可以分为以下几种类型：（1）测控系统；（2）测量系统；（3）数据处理系统；（4）通信系统；（5）计算机系统；（6）家电系统。电子系统的设计过程确定设计任务总体设计硬件设计与调试软件设计与调试整机联调资料整理1.1运算放大器的模型高阻输入级中间放大级低阻输出级偏置电路vNvPvO运算放大器构成信号的产生、信号的变换、信号处理等各种各样的模拟基本单元。第1章基于集成运放的放大电路设计1.理想运算放大器的模型（1）开环增益AVO＝∞；（2）输入电阻ri=∞；（3）输出电阻ro=0；（4）频带宽度△f=∞；（5）共模拟制比KCMR=∞；（6）失调漂移、内部噪声均为0。Dv-+NvPv+-iP=0iN=0OvAVOvD2.实际运算放大器的模型（1）差分输入电阻ri；（2）电压增益AVO；（3）输出电阻rO；（4）差分输入电压vD=vP-vN（5）单位增益带宽。741运算放大器的rd=2MΩ，AVO=200V/mV，ro=75Ω。+-Dvri-+NvPv+-roOvAVOvD1.比例放大器R1R2vo+-viAAvf=vo/vi=-R2/R11.2用集成运放构成的典型放大电路2.同相放大器+-R1viR2voA12iovf1RRvvA3.加法电路R1R2v1vov2Rf+-Af2211oRRvRvv）（加法电路的应用——D/A转换器双极性输出D1D0D3D2D4D5D6D7AGNDfbRREFVOUT1IOUT2IDGNDA1+-R1R2v1vov2RfA2+-输入数字量+5V2kΩ2kΩ1kΩ加法电路1o2V5vvD/A转换器单极性和双极性输出工作波形-5Vv10tvo0t-5V+5VvoV+R1R2RTWV+V+R1R2温度传感器压力传感器应变片1应变片2vovo4.基本差分放大电路（1）差模信号和共模信号很多传感器的输出信号既有差模信号，又有共模信号。vd表示差模电压，它是有用信号。vC表示共模电压，它携带的信号对测量没有用处，且会降低测量精度。对于这种信号一般采用差分放大电路进行放大。R1R2vdvcRf+-ARFfod1RvvR（2）基本差分放大电路的原理R1R2v1vov2Rf+-ARF21fF2F11fo2o1o1vRRRRRvRRvvv）（当Rf=RF，R1=R2时，）（）（21f211fo2o1ovvAvvRRvvvv（3）专用差分放大器-IN132在实际使用中，差分放大电路的电阻参数很难完全匹配，导致共模抑制能力下降，这时可采用专用差分放大器。NCV+OUTSense1Ref-inV-2348765SO-8+in-+OUTSenseRef-in+in-+40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ325615.仪表放大器基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪表放大器可克服上述缺点方案一：采用集成运放构成的仪表放大器。））（（1212o21vvRRv5.仪表放大器基本差分电路缺点：输入电阻低、增益调节不便。仪表放大器可克服上述缺点。方案一：采用IN132构成的仪表放大器。31VD2G2(1)RRARR5.仪表放大器R2v1-+40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ32561-+A1v2-+A2R2R1vo方案二：采用IN132构成的仪表放大器。））（（1212o21vvRRv5.仪表放大器方案三：采用单片集成仪表放大器——INA333只需一只外接电阻来调节增益；供电电源+1.8V~+5.5V；VIN--+150kΩ150kΩ150kΩ150kΩ1256-+A1-+A2RGA3VOUTREF50kΩ50kΩRFI滤波RFI滤波3RFI滤波RFI滤波VIN+8V+V-74VG100k1AR5.仪表放大器例：利用电阻电桥测量一个未知电阻的阻值，电桥电路如图所示。假设电阻Rt的变化范围为2Ω~200Ω。采用仪表放大器设计信号调理电路，使电阻从2Ω~200Ω变化时，对应的输出电压为0V~2.4V。R1R2RTR3V+V-10kΩ10kΩ100Ω-+INA333RGRG5kΩ318265VOUT0~2.4VREFOPA177-+A+5V-5V7410kΩLM385-2.5470Ω+5VRP1RP2236R4Z15.仪表放大器（1）确定仪表放大器增益2121002.5V2.5V=24.75mV10000100RVRRt(max)(max)3t(max)2002.5V2.5V=49.02mV10000200RVRRt(min)(min)3t(min)22.5V2.5V=0.5mV100002RVRR电桥输出的差模信号变化范围为-24.25mV到24.27mV。5.仪表放大器（1）确定仪表放大器增益电桥输出的差模信号变化范围为-24.25mV到24.27mV。V2.4100049.4624.2724.25A当RG为2.06kΩ时，仪表放大器的增益为49.465.仪表放大器（2）确定仪表放大器直流偏移量当Rt=2Ω时，差模信号为-24.25mV调节RP2使VREF=1.2V，则当Rt=2Ω时，VO=0VOREFV()vVAVVOV()49.46(24.25mV)1.199VvAVV5.仪表放大器AD620应用——心电（EGC）检测仪1.3集成运放的主要参数1.输入偏置电流和输入失调电流同相输入端吸收的电流用IP表示，反相输入端吸收的电流用IN表示2NPBIII将IP和IN的差称为输入失调电流IOS=IP-IN分析：输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响RPvo+-AR1R2IPINI1I2PPPRIV1PP1P1RRIRVIN1PPN12IRRIIIIN2PP12PP121NPPPP2N1PPPP22o1IRIRRRRIRRRIRIRIRIRRIRIRIv）（）（）（]//[1PPN21120IRIRRRRE）（）（输入偏置电流和失调电流对放大电路的影响2////1OSP21BP21120/IRRRIRRRRRE）（）（）（21P//RRROS21120//1IRRRRE））（（令得措施：缩小所有的电阻；选择一款具有更低IOS值的运算放大器2.输入失调电压将同相输入端和反相输入端短接，对于实际运算放大器来说，由于输入级电路参数的固有失配，其输出电压vo≠0。VOSVOH0vP-vNVOL+-VOSvNvPvo理想运算放大器实际运算放大器VOS对电阻反馈运算放大器电路的影响vo+-AR1R2VOSVOSOS1201VRRE）（输出失调电压的补偿R1//R2vo+-741R1R2-15V2+-vi3615RPvo+-AR1R2+-viRAVCCVEE3.开环带宽BW和单位增益带宽GBWf(dec)fb(BW)0a00Aft(GBW)开环电压增益从开环直流增益A0下降3dB时所对应的频宽称为开环带宽BW从开环直流增益到0dB时所对应的频宽称为单位增益带宽GBW。741运放的典型值fb=5Hz，ft=200000×5=1MHz。+-AR1R2+-vif(dec)fb0A0ftdBfB1+R2/R1AF例：用运算放大器741设计一个增益为60dB的音频放大器，要求带宽fB≥20kHz。放大电路增益与带宽的关系FtBAfffB：放大器带宽；AF：放大器增益4．转换速率（SlewingRate，SR）转换速率也称压摆率，其定义是运放在额定负载及输入阶跃大信号时输出电压的最大变化率。tVSRO当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实际的带宽起到主要的约束。fp（max）=SR/（2πVo（max））0VtvIvo4．转换速率（SlewingRate，SR）OPA552的单位增益带宽GBW为12MHz，SR为24V/μS，用其构成放大倍数为5的反相放大器，其小信号带宽为12MHz/5=2.4MHz，当输出信号的峰-峰值为10V时，其fp（max）=SR/（2πVo（max））=764（kHz）1.4集成运放的分类与选择集成运放可分为以下几类：（1）通用型；（2）高阻型；（3）精密型；（4）高速宽带型；（5）高电压、高电流型。（1）JFET输入运算放大器——TL082TL082是低成本、高速、双JFET输入运算放大器，适用于高速积分电路、D/A转换电路、采样保持电路以及低输入失调电压、低输入偏置失调电流、高输入阻抗等应用场合。（1）JFET输入运算放大器——TL082符号参数测试条件最小典型最大单位VOS输入失调电压Rs=10kΩ，TA=25℃515mVIOS输入失调电流TJ=25℃25200pAIB输入偏置电流TJ=25℃504000pAVCM输入共模电压范围VS=±15V±11-12~+15VRIN输入电阻TJ=25℃1012ΩVOM最大输出电压摆幅VS=±15V，RL=10kΩ±12±13.5VSR压摆率VS=±15V，TA=25℃813V/μsGBW单位增益带宽VS=±15V，TA=25℃4MHz（2）超低失调电压运算放大器OP07OP07具有非常低的失调电压、非常低的偏置电流和很高的开环增益。OP07具有很宽的电源电压范围±3V~±15V。符号参数测试条件最小典型最大单位VOS输入失调电压VS=±15V，TA=25℃3075μVIOS输入失调电流TA=25℃0.42.8nAIB输入偏置电流TA=25℃±1.0±3.0nAVCM输入共模电压范围VS=±15V±11-12~+15VRIN输入电阻TJ=25℃2060MΩIVR输入电压范围±13±14VCMRR共模抑制比VCM=±13V110126dBVOM最大输出电压摆幅VS=±15V，RL=10kΩ±12.5±13VSR压摆率VS=±15V，TA=25℃0.10.3V/μsGBW单位增益带宽VS=±15V，TA=25℃0.40.6MHz（2）超低失调电压运算放大器OP07（3）低成本、轨对轨输出、单电源供电高速运算放大器MAX4016符号参数测试条件最小典型最大单位VOS输入失调电压VS=±15V，TA=25℃420mVIOS输入失调电流TA=25℃0.120μAIB输入偏置电流TA=25℃5.420μARIN输入电阻差分模式-1V≤VIN≤+1V70kΩ共模模式-0.2V≤VCM≤+2.75V3MΩCMRR共模抑制比VEE-0.2V≤VCM≤VCC-2.25V70100dBVOM最大输出电压摆幅RL=150ΩVCC-VOH0.3VVOL-VEE0.3SR压摆率VOUT=2V阶跃600V/μsGBW单位增益带宽VOUT=20mVP-P150MHz（4）高电压、低失真电流反馈运算放大器——THS3092符号参数测试条件最小典型最大单位小信号带宽G=2，RF=1.21kΩ，VO=200mVPP210MHz大信号带宽G=5，RF=1kΩ，VO=4VPP135MHzSR压摆率G=5，VO=20V阶跃，RF=1kΩ，7300V/μsVOS输入失调电压VCM=0V4mVIOS输入失调电流VCM=0V20μAIB输入偏置电流VCM=0V20μARIN输入电阻1.3M