运放使用经典教程

• OPA656的偏置电流，FET输入高速放大器
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输入端口相关的指标 –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
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输入端口相关的指标 – 输入电压范围
• 手册中的截图，关键字（input voltage, range, ）
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输出端口相关的指标 –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
• 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
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输出端口相关的指标 –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。
R1 1k
2
6
4
R2 1k
VF1 +
7
+
VG1
3
+
U1 OPA227
V1 1.25
V2 5
R5 1k
2
+
VG3
364R来自 1kVF3 + U3 OPA350
7
+
V5 1.25
V4 5
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输入端口相关的指标 – 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
• First bullet here
• Second bullet here
– Sub-bullet here
• Third bullet here
– Sub-bullet here – Sub-bullet here • Sub-bullet here
• Fourth bullet here
2
运算放大器在电子系统中的位置
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输入端口相关的指标 - 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
• 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 – 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。
OPA211 双极型输入
OPA140 FET输入
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输入端口相关的指标 – 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)
电源
电源监视
显示
存储
电源分配
数据传输
模拟输出 /激励
传感器
ADC
DSP/µC
DAC
信号调理
信号调理
运放的功能
ZFB
VCC
ZIN
_
+
运放+外部分立元件 =
放大器 : 缓冲器: 滤波器: 各种运算功能:
改变信号的幅度 隔离输入和输出，阻抗匹配（高输入阻抗，低输出阻抗） 滤除不想要的频率分量：噪声和干扰 积分，微分，乘法，对数，等等
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输出端口相关的指标 – 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 – 压摆率 slew rate
缓冲一个10HMz的正弦信号，500mVpp => SR needs 30V/uS
SlewRate Bandwidth 2 V pp
5Vpp
=> SR needs 300V/uS
SlewRate 2 V pp BandWidth
500mVpp
GBW = 280MHz SR = 240V/uS
5Vpp
供电相关的指标 – 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
Input Signal Range
Output Signal Range
OPA335: Vdd+ = 5V, Vdd- = GND
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。
GND
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 Vdd+
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输入端口相关的指标 –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
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输出端口相关的指标 –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 –输出电压范围仿真
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：
R2 1k R1 1k
2
+
11
VF1
1
3
+
4
V5
U1 LM324
V5 V1 5 R3 1k
+
VG1
R4 1k U2 OPA364 VF2
+
-
+
V5
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输出端口相关的指标 – 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.
• OPA830 电压反馈型(VFB)
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输入端口相关的指标 – 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
• 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
Input Signal Range uA741
Output Signal Range
Vdd-
Input Signal Range
Output Signal Range
输入端口相关的指标 – 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。
• 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: 25µA (max) 低失调: 10µV (max) 低温漂: 0.05µV/˚C (max) 低噪声: 1.1 µVP-P 带宽: 350kHz Rail-to-Rail 输入和输出 1.8V to 5.5V 供电
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