运放使用经典教程

Presentation title hereSubhead herePresenters NameNote: Use this PowerPoint template if your presentation does not contain classified information.Slide title goes here First bullet here Second bullet here Sub-bullet here Third bullet here Sub-bullet here Sub-bullet here Sub-bullet here Fourth bullet here电源电源监视显示存储电源分配数据传输传感器信号调理信号调理DSP/C模拟输出/激励ADCDAC信号调理信号调理运算放大器在电子系统中的位置运算放大器在电子系统中的位置运放运放+外部分立元件外部分立元件 =放大器 : 改变信号的幅度缓冲器: 隔离输入和输出，阻抗匹配（高输入阻抗，低输出阻抗）滤波器: 滤除不想要的频率分量：噪声和干扰各种运算功能: 积分，微分，乘法，对数，等等VCC+_ZINZFB运放的功能运放的功能运放应该关注哪些指标运放应该关注哪些指标了解运放的对外接口 - 正负端输入 - 供电管脚 - 输出管脚输入端口相关的指标 - 输入阻抗 - 带宽 BW - 偏移电压 offset voltage - 偏置电流 bias current - 输入电压范围 - 噪声特性输出端口相关的指标 - 输出的驱动能力 - 输出电压范围 - 压摆率 slew rate供电相关指标 - 供电电压范围 - 静态电流附加的功能管脚输入端口相关的指标输入端口相关的指标 - 输入阻抗输入阻抗 手册中的截图，关键字（impedance, resistance） 选择运放输入阻抗时要考虑到被放大对象（信源）的内阻。运放的输入阻抗要远远大于信源内阻。例如信源内阻为10K欧姆，则需要选择100K以上的输入阻抗才能达到90%的精度，要达到99%的精度则要选择1M以上的输入阻抗。 两个不同输入阻抗的运放对比 OPA211 双极型输入 OPA140 FET输入输入端口相关的指标输入端口相关的指标 带宽带宽 手册中的截图，关键字（frequency response, GBW, bandwidth） 对于宽带的运放，由于类型不同如VFB和CFB的，还会给出不同增益下的带宽，用于说明带宽随增益变化的规律。 OPA691 电流反馈型(CFB) OPA830 电压反馈型(VFB)输入端口相关的指标输入端口相关的指标 带宽带宽GBP (Gain Bandwidth Product) VFB 类型的运放受增益带宽积的限制 Gain * Bandwidth = GBP 例如 a) 带宽为1MHz GBP的运放 b) 在100被增益情况下只有10KHz带宽 注意：在电流反馈运放（CFB）中不受增益带宽积限制。输入端口相关的指标输入端口相关的指标 偏移电压偏移电压 手册中的截图，关键字（offset voltage） 偏移电压（失调电压）指标在高倍放大的精密电路中最为重要。偏移电压被放大后直接影响电路检测微弱信号的精度。偏移电压因同相端和反相端失配而产生的输入级固有电压差，越小越好。 虽然失调电压可以调节，但是如果是批量生产将极大的降低效率，并且还要注意失调电压随温度的变化，精密运放的这个变化是很小的。 例如OPA333的失调电压极小超低功耗超低功耗: 25A (max)低失调低失调: 10V (max)低温漂低温漂: 0.05V/C (max)低噪声低噪声: 1.1 VP-P带宽带宽: 350kHzRail-to-Rail 输入和输出输入和输出1.8V to 5.5V 供电供电输入端口相关的指标输入端口相关的指标 偏置电流偏置电流 手册中的截图，关键字（bias current） 偏置电流在对高阻信源放大时非常重要。因为偏置电流乘以高阻可以产生很大的误差电压。例如20uA的偏置电流，在100K电阻上产生的电压为2V，放大倍数稍大就可以使运放饱和。 OPA691的偏置电流，双极型输入高速放大器 OPA656的偏置电流，FET输入高速放大器输入端口相关的指标输入端口相关的指标 偏置电流影响仿真偏置电流影响仿真 OPA691的偏置电流在uA级别，双极型输入 OPA656的偏置电流在nA级别，FET输入输入端口相关的指标输入端口相关的指标 输入电压范围输入电压范围 手册中的截图，关键字（input voltage, range, ） 输入电压范围在将运放用于单电源供电时要特别注意。因为： 1、单电源的VCC和GND之间的电压差较小，输入不是轨到轨的话将限制输入电压的范围。 2、信源用GND作为参考，当输入小信号或者信号中直流分量小的时候，就相当于输入逼近GND电源轨，如果不满足输入调件将不能正常工作 OPA365轨到轨运放的输入电压范围 OPA335的输入电压范围能达到负电源轨，达不到正电源轨。输入端口相关的指标输入端口相关的指标 输入电压范围输入电压范围轨到轨输入和输出运放：如OPA365，输入和输出摆幅都能非常接近供电电源轨. 但也不能完全达到。轨到轨输出运放：如OPA335，输出摆幅可以非常接近供电电源轨. 但不能完全达到。输入在高电平处需要1.5V的净空。非轨到轨运放：如uA741, LM324, OP27等，输入和输出在高电平和低电平处都需要一定的净空才能保证不发生削顶/底Input SignalRangeOPA365: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND 5VGNDVoltageOutput SignalRangeInput SignalRangeOPA335: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND 5VGNDVoltageOutput SignalRangeInput SignalRangeuA741VoltageOutput SignalRange3.5VVdd+Vdd-输入端口相关的指标输入端口相关的指标 非轨到轨输入运放仿真非轨到轨输入运放仿真 对于输入电压范围正负电源轨都达不到的运放，不适合在单电源中应用。 对于输入电压范围能达到负电源轨，达不到正电源轨的运放，调节直流偏置即可应用在单电源中。-+32674U1 OPA227V2 5R1 1kR2 1kVF1 +VG1V4 5R5 1kR6 1kVF3 V5 1.25+VG3-+32674U3 OPA350V1 1.25输入端口相关的指标输入端口相关的指标 噪声特性噪声特性 手册中的截图，关键字（noise，noise density） 噪声的单位是一个电压密度，在频率上积分后得到电压，再经过平方除以电阻就可以得到功率 OPA337的噪声特性 OPA335的噪声特性 可以看出对与低频小信号OPA335的噪声性能更好输出端口相关的指标输出端口相关的指标 输出的驱动能力输出的驱动能力 手册中的截图，关键字（current，output) 输出驱动能力是表示运放带负载的能力，作为最后一级时常常要考虑其驱动能力。 BUF634的驱动带宽30M或180M，注意手册中的continuous, 表示可以承受均值电流250mA。 THS3092也是一款常用的驱动级运放。输出端口相关的指标输出端口相关的指标 输出电压范围输出电压范围 手册中的截图，关键字（output swing） 在单电源供电的场合更需要注意，因为单电源供电电压低，并且小信号输出时接近GND电源轨。在单电源供电中选择轨到轨（rail to rail）更方便使用。 轨到轨运放OPA354 非轨到轨运放LM324输出端口相关的指标输出端口相关的指标 输出电压范围输出电压范围在最大输出幅度和供电电源轨间必须有一定的裕量或净空，保证输出不被削顶/底。对输入也是一样。根据运放输出结构不同，这个裕量从数mV到数V不等。输出端口相关的指标输出端口相关的指标 输出电压范围仿真输出电压范围仿真V5V5V5+-+U2 OPA364V1 5R1 1kR2 1kR3 1kR4 1k+VG1VF1 VF2 -+321411U1 LM324运放不是轨到轨在单电源低压供电下会使输出范围过小。这样放大较大信号时就会消峰。TINA-TI仿真结果如下：输出端口相关的指标输出端口相关的指标 压摆率压摆率 slew rate 手册中截图，关键字（slew rate） 压摆率是运放输出信号的最大斜率，表示运放输出大幅度信号的能力。结合GBW可以计算出运放在输出最高频率信号时幅度的最大值。 信号S(t)=A*sin(2*f*t)，信号斜率的最大值为 A*2*f = slew rate。可以看到slew rate压摆率不变时，A越大，f就越小。需要A和f都大的应用场合，就需要选择压摆率大的运放。（注意手册中给出的负载情况） 驱动级运放和高速运放的压摆率都很大，例如BUF634和THS3092 THS3092的压摆率，例如输出50MHz正弦信号时可以达到12V。 BUF634的压摆率，例如输出50MHz正弦信号时可以达到6V.输出端口相关的指标输出端口相关的指标 压摆率压摆率 slew rate 压摆率限制了输出大信号的带宽输出端口相关的指标输出端口相关的指标 压摆率压摆率 slew rate缓冲一个10HMz的正弦信号，500mVpp = SR needs 30V/uS 5Vpp = SR needs 300V/uSGBW = 280MHzSR = 240V/uS22ppppSlewRateBandwidthVSlewRateVBandWidth500mVpp5Vpp供电相关的指标供电相关的指标 供电范围和静态电流供电范围和静态电流 手册中的截图，关键字（power supply, quiescent current） 供电电压可以看出器件是否适合在单电源低电压下使用，静态电流可以看出器件是否适合在低功耗应用中使用。 OPA4xx: 宽供电范围， up to 100V，输出电流至50mA OPA3xx: CMOS, =5.5V,精密,直流特性出众,轨到轨,低噪低功耗 LPV521最低功耗运放，静态电流小于1uA