电子系统设计第1讲(1)

第一部分模拟电子系统设计与实践随着电子技术的发展综合电子系统中模拟子系统比重下降模拟子系统具有关键的作用模拟子系统的设计具有挑战性模拟子系统设计的关键如何性能优良的集成电路连接成系统，满足设计要求第1章基于集成运放的放大电路设计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1.理想运算放大器模型第1章基于集成运放的放大电路设计（1）开环电压增益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=0OvAVOvD对于理想运算放大器的前三条特性，通用运放一般可以近似满足，后三条特性一般通用放大器不易达到，但对某些功能电路非常重要，实际使用时，可选用专用运算放大器来近似满足。如可选用带宽运算放大器获得一定的频带宽度，选用精密运放使失调漂移、内部噪声趋于0.第1章基于集成运放的放大电路设计2.实际运算放大器模型第1章基于集成运放的放大电路设计（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。+-Dvri-+NvPv+-roOvAVOvD741运算放大器的ri=2MΩ，AVO=200V/mV，ro=75Ω。1.2用集成运放构成的基本放大电路1.比例运算放大电路第1章基于集成运放的放大电路设计R1R2vo+-viA+-R1viR2voAAvf=vo/vi=-R2/R112iovf1RRvvA2.加法电路第1章基于集成运放的放大电路设计R1R2v1vov2Rf+-Af2211oRRvRvv）（D1D0D3D2D4D5D6D7AGNDfbRREFVOUT1IOUT2IDGNDA1+-R1R2v1vov2RfA2+-输入数字量+5V2kΩ2kΩ1kΩ加法电路2.加法电路第1章基于集成运放的放大电路设计TLC75241o2V5vv当D/A转换器输出为正弦信号时，输入、输出对应的关系曲线：第1章基于集成运放的放大电路设计-5Vv20tvo0t-5V+5V3.基本差分放大电路第1章基于集成运放的放大电路设计R1R2v1vov2Rf+-ARF抑制共模输入信号21fF2F11fo2o1o1vRRRRRvRRvvv）（基本差分电路第1章基于集成运放的放大电路设计NCV+OUTSense1Ref-inV-2348765SO-8+in-+OUTSenseRef-in+in-+40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ32561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。4.仪表放大器第1章基于集成运放的放大电路设计voV+R1R2RTWV+V+R1R2温度传感器压力传感器应变片1应变片2vovo应变片传感器电桥测量电路输出信号的特点是较小（微伏级到毫伏级）的差模信号而有较大（几伏）的共模信号。4.仪表放大器基本差分电路虽然可以达到放大差模信号，抑制共模信号的目的，但存在输入电阻较低、增益调节不便的缺点。第1章基于集成运放的放大电路设计4.仪表放大器第1章基于集成运放的放大电路设计R2v1-+40kΩ40kΩ40kΩ40kΩ32561-+A1v2-+A2R2R1vo抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因））（（1212o21vvRRv1.3集成运放的主要参数输入偏置电流、输入失调电流输入失调电压增益带宽积GBW转换速率SR共模抑制比CMRR最大差模输入电压和最大共模输入电压第1章基于集成运放的放大电路设计第1章基于集成运放的放大电路设计1.增益带宽积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。第1章基于集成运放的放大电路设计f(dec)fb(BW)0a00Aft(GBW)第1章基于集成运放的放大电路设计第1章基于集成运放的放大电路设计1.增益带宽积GBW增益与带宽的乘积基本上是恒定的，因此降低增益可以增加带宽。通过负反馈，可以扩展放大器的带宽。+-AR1R2+-vif(dec)fb0A0ftdBfB1+R2/R1AF第1章基于集成运放的放大电路设计2.转换速率转换速率又称压摆率，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，即VoSRt第1章基于集成运放的放大电路设计2.转换速率用放大器处理大振幅的高频输出，除了放大器的带宽，还应考虑运放的转换速率。当处理信号的频率发生变化时，转换速率维持不变，当放大器输出大振幅的高频信号时，转换速率对实际带宽起到主要的约束。2.转换速率假设运算放大器的转换速率为SR，欲输出信号的振幅为Vo（max），那么大振幅的频率带宽可用下式换算：第1章基于集成运放的放大电路设计fp（max）=SR/（2πVo（max））2.转换速率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，其第1章基于集成运放的放大电路设计fp（max）=SR/（2πVo（max））=764（kHz）0VtvIvo超低失调电压运算放大器OP07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第1章基于集成运放的放大电路设计1.4正确使用集成运算放大器1.集成运放的选择无特殊要求：选通用运算放大器一个电路包含多个运放：选双运放、四运放对功耗有限制：低功耗运放有很高的输入阻抗：高输入阻抗运放系统要求精密：高精密、低漂移、低噪声运放系统工作频率较高：高速及带宽运放较大负载：功率运放第1章基于集成运放的放大电路设计1.4正确使用集成运算放大器2.使用集成运放应注意的问题（1）正确使用性能参数在使用运算放大器时，领会参数含义、注意参数测试条件。设计时要对参数留有一定余量，使用时一定要查阅相关器件的数据手册。第1章基于集成运放的放大电路设计1.4正确使用集成运算放大器2.使用集成运放应注意的问题（1）正确使用性能参数性能参数是在一定外部条件下测定的：①环境温度②直流供电电压③负载条件④信号大小和频率第1章基于集成运放的放大电路设计1.4正确使用集成运算放大器2.使用集成运放应注意的问题（2）输入保护电路R1D1D2voR2RPVEE+-AviR1D1D2+-AviVCC第1章基于集成运放的放大电路设计1.4正确使用集成运算放大器2.使用集成运放应注意的问题（3）供电电源的去耦vo+-AV+0.1μF6.8μF0.1μF6.8μFV-大容量的电容用作低频滤波，小容量的电容因其对高频信号形成低阻抗通路，从而起到高频滤波作用。第1章基于集成运放的放大电路设计1.4正确使用集成运算放大器2.使用集成运放应注意的问题（4）地线连接原则底线连接总的原则是地线应短而粗并且在同一个点连接，数字地和模拟地分开。设计练习——增益可调放大器的设计采用集成运算放大器设计一个带宽放大器，输入为正弦信号，电压峰-峰值为0.4V，频率范围100Hz~10MHz，设计要求如下：①电压放大倍数1~20可调；②输入阻抗；③输出信号直流偏移量可调，范围-2V~+2V；④增加稳幅输出功率，当负载电压幅度变化不大于（负载电阻变化范围：）。要求：电路图、参数分析、仿真结果