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运算放大器技术、运算放大器技术、产品及应用介绍产品及应用介绍4-1Hill/Hill/深圳棋港科技深圳棋港科技Hill@keikong.comHill@keikong.com4-2©2006NationalSemiconductorCorporation提纲提纲•运算放大器基础•低电压低功耗放大器及应用•精密运放及应用•高速放大器及应用4-3©2006NationalSemiconductorCorporation美国国家半导体在运放领域的领导地位美国国家半导体在运放领域的领导地位•美国国家半导体是运放领域的领导者，我们可以提供从基本运放到专用运放各类应用的完整产品系列•美国国家半导体每年付运5亿片运放•保持低压/低功率运放系列(LM,LMC,LMV,LPV)的市场领导地位•持续完善高速运放系列(LMH®)•强力推出精密运放系列(LMP®)•最新VIP50技术•全球第一个麦克凤内置运放（LMV1012系列）运算放大器基础运算放大器基础4-44-5©2006NationalSemiconductorCorporation运算放大器是任何模拟电路的基本构件运算放大器是任何模拟电路的基本构件•信号调整–即音频预放大、传感器跨阻抗放大器...•差分放大器(-)–输出是输入的差额•求和放大器(+)–输出是输入的求和•有源滤波器()–带通、高通、低通、槽口、其它...•缓冲器()–单位增益、电平漂移4-6©2006NationalSemiconductorCorporation理想运放模型理想运放模型(VFB)(VFB)•零输入电流,IB=0•零输入偏移电压VOS=0•输入阻抗无穷大•开环增益无穷大•零输出阻抗•零共模增益•无穷大的电源噪声抑制比VOS=0输出V+V-+IB=0-IB=0ZI=ZO=0a=4-7©2006NationalSemiconductorCorporation同向放大器同向放大器利用理想放大器的特征•V+IN=V-IN=VIN•I+IN=0•VIN=VoutxRI/(RI+RF)•Vout/VIN=1+RF/RI=Gain4-8©2006NationalSemiconductorCorporation反向放大器反向放大器利用理想放大器的特征•V+IN=V-IN=0V•II=VIN/RI,IF=-VOUT/RF•I+IN=0,II=IF=VIN/RI=-VOUT/RF•Vout/VIN=-RF/RI=Gain4-9©2006NationalSemiconductorCorporation加法器加法器•I1=V1/R1,I2=V2/R2•IF=I1+I2•VOUT=-IFxRF=-(I1+I2)RF=-(V1/R1+V2/R2)RF=-(V1+V2)RF/R1,R1=R2VOUT+-V+V-RF-IN+INIFI1R1I２R２V1V24-10©2006NationalSemiconductorCorporation减法器减法器VOUT1=-(RF/RI)V1,V2=0•VOUT2=V+IN(1+(RF/RI)),V1=0=(V2R3/(R2+R3))(1+(RF/RI))•VOUT=VOUT1+VOUT2=-(RF/RI)V1+(V2R3/(R2+R3))(1+(RF/RI))=(V2-V1)RF/R1,R1=R2&R3=RF4-11©2006NationalSemiconductorCorporation实际应用中的放大器实际应用中的放大器Vout=Vinx(1+Rf/Rg)-Vrefx(Rf/Rg)Vref=0VVout=Vinx(1+Rf/Rg)Vout=-(Rf/Rg)xVin4-12©2006NationalSemiconductorCorporation积分器积分器4-13©2006NationalSemiconductorCorporation滤波器应用滤波器应用4-14©2006NationalSemiconductorCorporationVFBVFB与与CFBCFB电流反馈运放电压反馈运放VdA*VVo=A*VdVddVo=A*VdVo=ZT*In-Z*InIn1Vo=ZT*In--Z*InIn1•正负输入端均为高阻抗•高电压增益A(Vo/Vd)•低输出阻抗•误差来源Vd•增益带宽积为常数•正输入端为高阻抗，负输入端为低阻抗•高跨阻增益Zt(Vo/In)•低输出阻抗•误差来源In•带宽几乎不受增益限制4-15©2006NationalSemiconductorCorporationVFBVFB和和CFBCFB的频率响应的频率响应VoRFRGZ(jf)+-Vx+()FjfxoRZVVT-==ZdBTR1Zo0R1minpf1RZffaA=VFB1+R2dBR1Ao0dBA)211(RRfufc+=fufpCFB4-16©2006NationalSemiconductorCorporation反馈电阻对带宽的影响反馈电阻对带宽的影响((CFB)CFB)(LMH6715)通过反馈电阻设定带宽4-17©2006NationalSemiconductorCorporationCFBCFB和和VFBVFB的选择的选择选择选择CFBCFB-优越的AC性能-优异的响应速率-带宽不受增益限制选择选择VFBVFB-优越的DC性能-低偏置电流-系统要求满摆幅输出单电源供电设计单电源供电设计4-184-19©2006NationalSemiconductorCorporation单电源供电的疑惑单电源供电的疑惑4-20©2006NationalSemiconductorCorporation系统设计实例系统设计实例传感器输出范围Vlowlimit=0.05VVhighlimit=0.5VADC输入范围Vmin=1.5Vmax=4.0VA/DVIN=0.05Vto0.5VVO=1.5Vto4.0V4-21©2006NationalSemiconductorCorporation同向放大同向放大//正向偏置正向偏置单供电电压VCC=5V选用正向放大直流耦合的电路.该运放输入应接近地电平(PNP输入结构)Vin和Vref均加在正向输入端+-R3R4VCCVOUTVINR2R1RLVREFLMV9314-22©2006NationalSemiconductorCorporation电路的分析与计算电路的分析与计算y=mx+b1.5=m(0.05)+b4=m(0.5)+bm=5.5;b=1.22Vo.05.5Vin1.5V4.0Vb=1.22Vout=Vinx(1+R1/R2)x[R3/(R3+R4)]+Vrefx(1+R1/R2)x[R4/(R3+R4)]+-R3R4VCCVOUTVINR2R1RLVREFLMV931容易看出m=[R3/(R3+R4)]xDb=VREFx[R4/(R3+R4)]xDD=1+R1/R2R3=(m/b)xR4xVref=22.7R4令R4=10K,则R3=227KD=mx(R3+R4)/R3R1=6.8R2令R2=10K,则R1=68K4-23©2006NationalSemiconductorCorporation最终电路最终电路+-0.05Vto0.5VR4=10k+5VVOUTVIN10k68kR3=227k1.5Vto4.0VLMV9314-24©2006NationalSemiconductorCorporation单电源运放偏置一览单电源运放偏置一览m=[R3/(R3+R4)]xDb=VREFx[R4/(R3+R4)]xDD=1+R1/R2假定R4R3,R1R2,R4R2m=1+R1/R2Abs{b}=VREFxExR1/R2E=R3/(R4+R3)abs{m}=R1/R2b=VREF[R3/(R3+R4)]xDD=1+R1/R2abs{m}=Rf/Rgaabs{b}=VREF(Rf/Rgb)y=mx+bEx.1m=正(+)b=正(+)Ex.2m=正(+)b=负(-)Ex.3m=负(-)b=正(+)Ex.4m=负(-)b=负(-)R3R4VOUTVINR2R1RLVREFVCCEx1Vo=+Vin+VdcEx.2Vo=+Vin-VdcEx3Vo=-Vin+VdcEx.4Vo=-Vin-Vdc+-VccR3R4VOUTVINR2R1RLVREF+-R2RGbRgaVOUTVINVCCRfRLVREFR4R3VOUTVINR1RLVREFVCC+-轨至轨输入和输出轨至轨输入和输出4-254-26©2006NationalSemiconductorCorporation轨至轨输入和输出轨至轨输入和输出~VCCGNDVCM250mV250mVVCC–5mVGND+5mV输出电压范围(RLOAD=100kohm)典型输入共模范围例如:LMC7101,LMV931,LMV711•输入范围越过轨电压•允许:-V+信号检测-去除“假”偏置，使运放处于CMVP-最大地使用供电范围•输出范围越过轨电压•提供:-最大动态范围-最大地使用供电范围-最佳输出驱动4-27©2006NationalSemiconductorCorporationCMVRCMVR性能的实例性能的实例RRIRRI与仅用地检测的比较与仅用地检测的比较~VCCGND250mV250mVVCC-5mVGND+5mV输出电压范围(RLOAD=100kohm)VCMVCMV+-2VLM741VCMVCC-1VLMC7101LM324•LM741不具备地检测，必须采用分开的电源•LM324,LMV324,LMC7101都具备地检测•LM324,LMV324,LMC7101所有都可以使用单电源或分开的电源•LMC7101提供最大的共模电压范围，即轨至轨输入V-+2V4-28©2006NationalSemiconductorCorporation轨至轨输出轨至轨输出•通常具有较高的输出阻抗和较低的驱动能力。•允许输出接近轨电压，但不是到轨电压。•负载越小，离轨的距离越近。•轨至轨输出意味着在常规负载情况下(即10Kohm)输出摆动至少在任一轨的100mV以内•通常采用集电极连接输出结构(发射级结构不是RRout架构)。4-29©2006NationalSemiconductorCorporation轨至轨输出轨至轨输出•输出级摆幅受限于VCEsat或RON和负载电流+Vs-VsOutputVCEsatVCEsat+Vs-VsOutputRDSONRDSON4-30©2006NationalSemiconductorCorporationRRIORRIO运放选择指南运放选择指南器件Is/ChuA(typ)电源范围指标(V)VosmV(max)CMVR在Vcc=5V时V(typ)输出摆幅V(typ)GBWMHz(typ)转换速率V/us(typ)在1KHz时输入引入电压噪声nV/√HzLMV931/932/9341601.8to56-0.3to5.30.035to4.9651.50.4850LMV981/9821161.8to56-0.3to5.30.035to4.9651.50.4850LMV710/711/7151300(on)2.7to53-0.3to5.30.01to4.985520LMV7121170(on)2.7to53-0.3to5.30.01to4.985520LPV5110.972.7to12±3-0.1to5.10.11to4.8927KHz7.5V/ms320@100HzLMP77010.792.7to12±0.2-0.2to5.20.03to4.962.519LMC71015002.7to153,7-0.3to5.30.1to4.91137LMC6482/845003to150.75,3-0.3to5.30.1to4.91.51.337LM73016002.2to306-0.1to5.10.07to4.9341.2536低电压低功耗放大器低电压低功耗放大器4-314-32©2006NationalSemico