模拟技术训练之放大器初步课件

放放大大器器初初步步ADI模拟技术训练营系列讲座1目录 第一部分：放大器的分类简介 第二部分：使用放大器的一般性规则 第三部分：选择放大器入门 第四部分：使用网络资源 第五部分：数据记录和报告撰写 第六部分：实验和注意事项一：放大器分类简介什么是放大器？电学中能够实现信号、功率放大的器件，称为放 大器，英文为amplifier。目前所有放大器的基础放大器件是电子管和晶体 管，本讲座仅涉及晶体管。以放大器为核心，能够实现放大功能的电路，称 为放大电路。放大器的分类 从简到繁，可将放大器分为三个级别：晶体管：双极型，单极型(JFET,MOSFET)集成运算放大器：标准运放，全差分运放 集成功能放大器：差动放大器，仪表放大器，程控增益放大器，压控放大器以及其它特殊功 能放大器等。第一类晶体管放大器MOSFETP沟道管图2-1晶体管放大器分类晶体管NPN管双极型PNP管单极型JFETP沟道管N沟道管N沟道管晶体管放大器举例VCCUOTUS第二类运算放大器 集成为一个芯片的，由晶体管组成的直接耦合 型，开环多级放大电路。开环增益很大，不能直接作为放大器，需要外 部反馈网络配合。最常见：差分输入、单端输出的标准运放。另一种：差分输入、差分输出的全差分运放。运算放大器全差分运放通用运放高速运放低噪声低失调高阻电压反馈型电流反馈型图2-2集成运算放大器分类例A741，OP07例ADA4889-1例ADA4528-1例AD549例AD8045例AD8000电压反馈型电流反馈型例AD8139例ADA4927-1标准运放全差分运放结构典 型 电 路+VsVin+VoutVin-Vs+VsVin+Vout-VOCM Vout+Vin-Vs全差分运放的输入输出关系 AO (Vin Vin )Vout VoutVin+Vin-VOCMVout-Vout+-Vs+Vs VOCMVou t Vout2深度负反馈下虚短Vin+=Vin-成立。虚断也成立。输入脚：Vin+和Vin-，控制“输出共模量”的输入V输O出CM脚：Vout+和Vout-重要关系如下全差分运放最常见电路分析RGRFX X VONVIPRFVINX X VOPRGVINOCMVOP VON V2RG VIPRFVOP VON(VIP VIN)VOCM 0.5RG RFRFVOP(VIP VIN)VOCM 0.5RGVON全差分运放的典型应用 全差分ADC的前端驱动电路 单端转差分。全差分信号链。差分转单端。RBVOCMUout+uiRBRAUpUnUout-RARBVOCMuout+0.5kuiuiRBRAuxuxuout-RA-0.5kui图16-4 低频时单端输入转差分输出（左图含静态电流，右图交流耦合型不含静态电流）RBVOCMuout图16-5 高频时单端输入转差分输出（左图实际电路，右图等效电路）uiRBRARXux50RYux-uoutuyR1R3RBVOCMuout0.5GuikuiRBRARXuxux-uoutR3uyRA-0.5Gui电流反馈型运放内部结构 同相输入端高阻，反相输入端低阻。具有极高的压摆率。增益带宽积不恒定，高增益时带宽下降不明显。广泛使用于高速脉冲信号的放大。G=1G=1ZOZiiiZZBiAiF图15-2电流反馈型运算放大器组成的同相放大器uIuOuARARF电流反馈型运放使用注意 跟随器时必须串联反馈电阻。反馈电阻的选择与增益有关，需要严格按 照数据手册进行。AD8005的电阻选择其它值得注意的运算放大器 含限制器的运放AD8036，AD8037其它值得注意的运算放大器 专利斩波技术实现零漂移，极低失调电压。注意斩波频率处会出现少许噪声尖峰。ADA4528-1斩波频率为200kHz。其它值得注意的运算放大器 高速，低偏置电流第三类：集成功能放大器 独立使用即可实现一定功能的，集成在一 个芯片内的放大器。具备放大功能，又不是前两种的集成电路 均可称为集成功能放大器。集成功能放大器的种类 检测差模的：差动放大器，仪表放大器，电流检 测放大器 改变增益的：程控增益放大器，压控增益放大器 模拟乘法器 隔离放大器 对数放大器 跨导放大器、跨阻放大器 音频功率放大器差动放大器 以差动减法器为主要形式，芯片内集成 了运放和多个高精密电阻。ADI差动放大器主要类型 4电阻标准1倍，2倍 5电阻型、7电阻型 高共模型ADI差动放大器类型图例差动放大器 珍贵在于内部的电阻一致性。可以方便实现：减法器对差分信号进行放大或者衰减。电平移位。精确增益。承受高共模输入差分信号。电压电流转换。差动放大器：正接和反接RARARBRBRARARBRBuIDuIDuOuO衰减型接法放大型接法2361562315图18-2标准结构差动放大器的两种差分运算接法差动放大器：电平移位差动放大器：精确增益5k20k10k4k 1.5R4k)R10kA (1 R10k )(R5kR4k R20kR5kRi 24k/6k 4.8kAD8270(-23)40差动放大器：高共模输入 常规思路：先用一级0.1倍衰减器抵抗高共 模输入，再用放大器将差模信号放大。120V共模共模差动放大器：高共模输入 可承受高达270V的共模电压输入，又具 备1倍差模放大妙不可言。270V13.5V仪表放大器仪表放大器（Instrumentation Amplifier）定义：具有两个差分输入的输入端，高的 输入阻抗，高的共模抑制比，输出为单端 输出，增益由外部电阻设定，或者由程控 实现程控仪表放大器。分为多种类型：3运放型，2运放型，差分电容型，电流镜型仪表放大器应用场合多种传感器、特别 是桥式传感器后 的第一级差分放 大。也可以用于4-20mA 电流输出。也可只利用其输入高阻特性，实现 阻抗匹配。仪表放大器使用注意 频带不宽，多数为MHz数量级。CMRR很高，但不能承受高共模输入。一般不能浮空输入。仪表应用1屏蔽驱动图17-9 共模防护电路仪表应用2电桥单电源仪表应用3压流转换仪表应用4两线压流（信号电源混用）图17-15 电流传输仪表放大器输出压流转换具体分析过程，参阅我的文字图17-16 图17-15的电流电压分析4mA状态1mA0.02mA0.7mA1.43mA4.875.12A0VUOUT0V+-7780.9mV0V3.8554.052mA程控增益放大器 增益可由数字量控制实施改变的放大器。低频段精确增益控制；高频段增益控制；dB为单位，或以规定增益变化规律实施。控制增益方法，高速多用数字衰减器实现 低速多用精确电阻阵列实现。有程控（双入单出、单入单出、双入双出 单入双出）等。ADI部分高速程控增益放大器AD8250程控仪表放大器ADL5201压控增益放大器 增益由外部提供的模拟电压控制，属连续 控制，不同于程控增益放大器离散控制。VINVOUTVGVCAA=VOUT/VIN=f(VG)VIN+VOUT+VG+VCAA=(VOUT+-VOUT-)/(VIN+-VIN-)=f(VG+-VG-)VIN-VOUT-VG-图1-1-29 压控增益放大器外部结构压控增益放大器 多数为dB线性，也有部分V/V线性。(a)AD8337dB线性图1-1-31 压控增益放大器增益与控制电压关系图(b)LMH6503倍数线性压控增益放大器 可实现不同的控制模式：负模式（电压越 高，增益越小）下容易实现AGC。自动增益控制（AGC）自动增益控制的核心思想是，输入信号越大，增益越小，达到保持入出单调的情况 下，输出具有较为稳定的幅度。Vin/VVout/VAD8367 压控增益，具有输出探测，正负模式可选。可方便实现AGC。其它功能放大器简介 隔离放大器左右的全浮空隔离，极高 的CMRR，用于医疗、防雷等场合。有变压器型、光耦型、电容型等。三级放大器，选择哪一种？低：晶体管？中：标准运放？高：功能放大器？在不考虑成本情况下，能用高等级放大器实现的，不要使用低等级。仅在特殊需求时，采用低等级放大器。盲目崇拜低等级设计，以为只有设计复杂的晶体 管放大器才能显示水平，恰恰是没水平的表现。熟知厂家能够提供的高等级放大器，且能用好，是放大器设计的关键。考虑成本时，应综合考虑设计成本、材料成本以 及加工成本等因素。RARARARAIOUT=(uI1-uI2)/RSETuI1Load23615RSETuI2AD8276用标准运放+4个RA自己搭接，也可实现，但 难以保证电阻一致性。用差动放大器AD8276实现的压流转换电路二：使用放大器一般性规则 供电和配置电源电容 直流通路的重要性 自激振荡和单位增益稳定 输入保护 散热 相位反转 封装供电和配置电源电容 不要超过电源电压范围绝不是废话。绝对不能反接电源，否则立即烧毁。必须给每个运放配置电源电容。库电容,100uF以上，一个电路一对儿。在电路板电源入口。GND库电容负电源入口旁路电容对儿，一个电源脚一对儿，6.8uF/0.1uF就近摆放正电源入口库电容的作用 储能，有大量的电荷备用。当发生突然的大电流需求时，库电容可释 放电荷，抑制由此带来的电压跌落。一般仅在电源入口处摆放一对儿，容量可 在100uF以上。也见此处串联磁珠。旁路电容为什么要一对儿？图3-1电容等效模型以及阻抗随频率变化情况等效串联电感与体积密切 相关，是本方法的核心旁路电容的摆放规则 流经、顺序、就近、共地4大原则。一个地区域GNDV+V-OP07DC1C2双电容去耦组GNDC30.1F C4GND图3-2不考虑其它因素的运放电源理想状态下的电容配置方案，右图错误实例违 反 共 地 原 则、顺序 原则违反共地原则、流经原 则违反就近原则分叉GNDGND6.8F直流通路的重要性直流通路的重要性 每个运放的输入端，都必须有合适的直流 通路，否则运放工作不正常。CCR错误的接法正确的接法图3-3试图实现隔直放大的电路+IN国ANALOGDEVICES+Vs+Vs卡 扎 寸NODE 3NODE 4-VsR224.7kn24.7k0NODE 2NODE 1 一ESD AND OVERVOLTAGEPROTECT ION主-VsVs1 AS-VsGAIN STAGEFigure 58.Simplified SchematicAD8226R350k0ESD AND OVERVOLTAGE PROTECT IONINCORRECT+Vs-VsVourREFDIFFERENCE AMP LIFIER STAGECORRECT+Vs-Vs差动放大器可以接受浮空输入避免自激振荡 自激振荡是一种现象：电路加电后，在没 有输入的情况下，电路输出存在某种频率 的大幅度输出该频率一般较高。结果是，电路无法正常工作，且极易造成 发热和损坏。必须彻底避免。自激振荡的本质原因 运放自激振荡的根本原因：某种频率信号在环路增益大于 1的情况下，其环路附加相移达到了180度，使得原本设计 的负反馈变成了正反馈，且在环路内不断增大。输出就会出现该频率的振荡波形。无附加相移，x(t)=-kx(t),x(t)=0某频率处，附加相移180度，x(t)=kx(t),k=1，x(t)无解自激振荡的客观原因 闭环放大倍数太小。AF=A/(1+AF)小，说明F接近1，AF环路增益很大。越是跟随器，越易自激。驱动大电容。电容会引入附加相移。引入了杂散电容，也带来附加相移。其它原因。自激振荡对策 已经振荡的电路，可通过多种补偿手段消 振。这是迫不得已的方法。预防重于消振。口口口口口口口口口，“单位增益稳定”描述。单位增益稳定，是多数运放具备的基本素 质，即可用于跟随器。但不是所有运放都 具备。OP37，ACL5自激振荡预防策略二 在驱动电容前，串联一个20100的隔离 电阻。某些运放驱动大电容能力较强，可达1000pF以上，无需隔离电阻。AD817等。20100RISO几乎必振几乎不振口口口口口口口口口，端，需格外注意。，自激振荡预防策略四杂乱的规则 在反馈电阻旁并联一个电容，预留位置。在输出端串联一个0欧姆电阻。为隔离电阻 的引入埋下伏笔。多数情况下，更换运放可以立即消振。注意输入保护 有些运放内部有输入保护二极管。接跟随器时，需要串联电阻。做比较器时，会有异常。I1k散热 高频放大器通常输出功率较大，需要考虑 芯片散热问题。底面有暴露片的，应接到合适位置铜皮上，利于散热。相位反转 相位反转：早期的运放，当输入超过负轨 时，会出现瞬间的正输出。现代技术基本克服了这种现象，新运放多 数都标注：No Phase Reversal取自ADI公司MT-036“Op Amp Output Phase-Reversal and Input Over-Voltage Protection”图42-1 跟随器产生的相位反转现象放大器的封装 同一款放大器，一般都有多种封装形式。在电路板中是不能互换的。画电路板前，落实封装尺寸是必须的。用一把尺子，粗量一下，与数据进行简单 对比是必要的。学生经常使用的是DIP封装，可以插到面包板中，而产品中常用的是更小的封装。口口口口？很多微小芯片上看不到型号，比如下图。，AD8226MSOP封装的“小名”.Brangding。Y1 8怎么从Brangding获得型号？发现这种芯片，只要知道公司，就可以在 官网上搜索出来“大名”。“大名”字数太多，芯片太小写不下。PDIP封装取自AD810数据手册图14-1ADI公司PDIP8封装的外形视图（括号内为mm单位）SOIC-NSOIC-WMSOP3*4.9mmTSSOPSOT-23 3*3mm图14-8 ADI公司8脚SOT-23封装视图SC70CSPLCC最常见的管脚排列其它管脚排列少见的管脚排列三：选择运算放大器入门 设计任何一个基于运放的放大电路，都应该做出 最基本的选择，用哪一款运算放大器合适？要求不严的情况下，做出如下选择即可：电源电压 输入输出范围Swing from Rail 增益带宽积GBW 压摆率SR 其它指标依重要程度为：失调电压、偏置电流、噪声指标、CMRR、失真度、漂移指标、带载能力等。后续课程详述。电源电压选择 根据需要的电源电压选择即可。重要性在于，不要烧毁芯片。轨至轨Rail to Rail+5V,正电源轨-5V，负电源轨 OP37,电源电压为正负15V情况下from RailSwingfrom RailSwing轨至轨运放轨至轨运放 轨至轨的含义是，输入或者输出能够接近 电源轨的能力。至轨电压越小，轨至轨特性越好。Rail to Rail InputRRI，输入轨至轨。Rail to Rail OutputRRO，输出轨至轨。RRIO，输入输出均轨至轨。多数低电压运放都具备RR特性。轨至轨运放 RRO受温度、负载电流、频率的影响GBW（GBP)的含义A/dBAo(1Hz)Ao,开环增益 Ao(f1)近似-20dB/10倍频1Hzf1f/HzfA0=10dBAo(1Hz)f1 Ao(f1)=GBW(增益带宽积)fA0=1(单位增益带宽)怎么选择GBW?要求10倍放大，-3dB带宽20kHz。解读：AF=10,在f1=20kHz处，闭环增益下 降为0.707AF(-3dB)，k=0.707,求GBW=?1HzxAFkAFA/dBAo,开环增益 Ao(f1)-20dB/10倍频A，闭环增益FAF(f1)f1f/HzGBW0dBf1Ao(1Hz)负反馈公式 定义衰减系数为m，反馈系数为F。AOUiFmAU U(1 FA)oiooUom(mU FU)A Uioooooiof1 FAmAUUAF mAf(0)Fk m1 FAo(f 1)mAo(f 1)要求：Af(f 1)GBW公式 运放开环增益在一个很宽的范围内，具有90度相移。利用这个特点，上述公式可简化求解。Fk m1 FAo(f 1)mAo(f 1)要求：Af(f 1)2Ao(f 1)1 k 1kF已知k，原电路F，可求出必须具备的开环增益Ao(f1)1 k 21o(f 1)1 F1kGBW f A fGBW公式应用同相放大R1R3R2UiUoRL9k1k1km 1F 110A m 10Ff(0)k 0.99k 0.90k 0.707 20kHz101 200kHz1 k 21 k 21kGBW f1F 20kHz10 7.018 1.4MHz1 k 21k1kGBW f1F 20kHz10 2.064 412.8kHzGBW f1FGBW公式应用反相放大 相同的增益衰减要求k，同相放大 器对运放要求较低。R1R3R2UiUo1kRL10k1k 20kHz11 7.018 1.544MHz1 k 21kGBW f1F11m 10F 111A m 10Ff(0)k 0.99k 0.90k 0.707压摆率Slew RateSR 运放输出所能达到的最大电压变化速率，V/s 当输出信号试图出现的变化速率大于运放 的SR，输出会出现三角波或者梯形波失真。压摆率公式 正弦波输出，已知频率f，幅度A，则可知过零点 斜率k，为正弦波变化最快的时刻k=2fA 要想波形不失真，k必须小于SRSR 2fA压摆率公式应用 输出20kHz正弦波，幅度不小于10V，求SR？k 2fA 6.28 20000 1 10V 1.256106 V 1.256 VsssSR 1.256 Vs综合选择实例 使用标准电压反馈型运放设计一个电路，要求对 输入的音频信号进行1000倍放大，在音频域内增 益波动不超过正负0.2dB，输出幅度不小于12V，输出电流峰值不小于10mA，请设计电路并选择 运放。首先确定电路结构：-0.2dB代表k=0.9772倍，k/sqrt(1-k2)=4.606 单级放大1000倍，GBW=20kHz*1000*4.606=92MHz 虽然GBW要求并不高，但单级1000倍问题很多。一般至少选择2级放大器级联。综合选择实例（2）2级重新计算：每级衰减-0.1dB=k=0.9886，k/sqrt(1-k2)=6.55 单级增益为10000.5=31.62 GBW=20kHz*31.62*6.55=4.275MHz 选择GBW5MHz以上，基本可满足要求。R1R3R2UiUo130.9k1k1kR4R5R6UoRL30.1k1k1k10uF特别注意 以上分析仅在一般情况下适用。运放的开环特性极为复杂，用简单的一阶 模型代替是存在误差的。用二阶模型代替 误差相对较小，但仍不准确。要以实验为准，仿真和计算只能作为参考。用matlab实施二阶运放模型仿真amodf(1)=1/F;g=zeros(1,n);for i=2:nf(i)=f(i-1)*1.002;a(i)=am/(1+j*f(i)/fh1)*(1+j*f(i)/fh2);af(i)=am/(1+j*f(i)/fh1)*(1+j*f(i)/fh2)+am*F);amod(i)=abs(a(i);amodf(i)=abs(af(i);g(i)=20*log(amodf(i)*F);ph(i)=180*phase(a(i)/pi;phf(i)=180*phase(af(i)/pi;end100101102103104105106107108109-250-150-200-100-5010010110210310410510610710810910-51001010100闭环闭环相移相移开开环环增益增益闭环闭环增益增益开开环环相移相移闭环闭环增益衰增益衰减减/dB综合选择实例（3）电源电压选择 因输出要求幅度大于13V，为正负极性，为给非RRO 运放留有余地，一般可考虑将至轨电压设为3V。电源电压应为16V，即VMAX=32V 压摆率选择 SR6.28*0.02MHz*13=1.633V/us ADTL082即可满足，ADA4898-2也可实现要求。ADTL082关键指标其它方案 如果不设定标准电压反馈型运放，选择电流反馈 型运放，可考虑采用AD812，145MHz，单片双 运放$2.51。还可考虑音频放大器。ADI公司的音频放大器列 表是独立的。SSM2019即可。音频放大器SSM2019方案 唯一担心的是带内平坦度，手册上没有。选择总结 选择放大器是一件极为有趣，且困难的事情。核心有以下几点：会“抄袭”：实际工作要求，通常来源于生产实践，前人一般都会遇到，就会有常规设计。找到常规的选 择，前人的选择，以此为基础修改。懂得参数，特别是关键的参数。能够利用参数做出筛 选。如果上述题目对直流量提出高要求，则失调电压 一定要注意。会使用Excel表格排序，有大量放大器的参数表。学会利用ADI公司的网络资源。四：资源利用 从ADI申请样片 申请样片并不麻烦。不要想着占便宜，或者获利，然后遵循ADI的 申请规则即可。从网络中获得学习资料 有大量学习资料可供选择，耐心读PDF。Circuits from the Lab540kHz GBP10125uV输输入失入失调调,30pA偏置偏置电电流流 11nV/sqrtHz0.4/0.8倍全差分漏斗放大器倍全差分漏斗放大器 承受高承受高压压共模共模12位位sigma-delta125spsADCBidirectional Isolated High-Side Current Sense with 270 V Common-ModeRejection(CN0240)全部的技术资料详细的电路描述五：报告撰写 实验报告的关键环节实验报告的本质目的有两个：依据当前提供数据，得出实验结论；为别人或者自己以后重复实验文字记录。报告应该围绕着“如何让读者可以按照此报告内 容，重复实验，且得出相同结论”为核心进行。因此，一切你认为应该记录的，都应记录且清晰 描述。五：报告撰写 实验报告的标准格式实验目的：陈述为什么做这个实验，想达到什么目的。实验环境和条件：仪器、时间、地点，以及其它需要记录的。实验步骤：细分实验步骤，一步步实施并记录。实验数据记录一般以表格形式呈现，可以利用计算机记录。也可与镶嵌进实验 步骤中。数据分析方法 结论五：报告撰写 制图 无论用什么方法，电路图和连接图必须有。记录原则 为什么纸笔记录优于计算机记录？涂改？结语：学好放大器的关键 模拟电路的几大核心：放大器，滤波器，转换器，电源，信号源 放大器之地位：模拟电路的王冠 学好放大器的建议 学会指标 多读数据手册，上有大量电路和描述 多实验，勤总结，勤归纳本节实验 用ADTL082实现前述设计。使用标准电压反馈型运放设计一个电路，要求对输入的音频信号 进行1000倍放大，在音频域内增益波动不超过正负0.2dB，输出幅 度不小于12V，输出电流峰值不小于10mA，请设计电路并选择运 放。实测结果。用其它方案实现相同要求，对比测试。实验室提供条件 仪器如下 直流稳压电源，信号源，示波器，毫伏表，计算机。工具和材料 烙铁，镊子，剥线钳，焊锡和松香，万用表。转接板（适合以下放大器），万用板，导线。元器件 ADA4898-2运放,AD828运放,AD812电流反馈AD811电流反馈,SSM2019音频放大器ADTL082运放