运算放大器的应用和选型

主要参数-电气特性

输入失调电压Uos（μV~mV级）：反映了运放输入级差动电路的对称性， 输入=0时的输出电压折算到输入端，或者说，使输出=0，必须在输入 附加的电压 （静态的直流补偿电压），可通过调零消除。 失调电压温度漂移系数ΔUos/ΔT（nV~μV级/℃） ：输入失调电压的 温度变化率。无法通过调零消除。 输入偏置电流Iib（ pA~nA级）：输出电压=0 时两个输入偏置电流的平 1 均值 输入失调电流Ios（pA~nA级）：输出电压=0 时两个输入端偏置电流的 差

供电电压不能超过最大额定值。 通用运放有±22V、±18V、 ±16V、 ±8V、0~32V、0~16V、 0~6V等电压等级。
三、运算放大器的选型

一般用途的直流放大器、滤波器 要求的放大倍数不高（数十倍以下），有零点和增益校准电路或软 件校准，温漂要求不高，可以采用低价的通用运放，如 LM258/358。
题目要求：0dB - 60dB可调，并且宽带直流放大器，强调 直流精度。
VCA810在±40dB的增益可调范围内拥有35MHz 的恒定带宽（包 括小信号带宽和全功率带宽），典型输出失调电压仅为±4mV
理论分析

信号调理部分的ຫໍສະໝຸດ Baidu决方案：

将输入10mVRMS的输入10MHz 正弦波放大到2.8Vpp，并支 持输入信号小至1mVRMS。

理想运算放大器有下列两个重要特性：
(1) 理想运算放大器的输出为有限电压时，两个输入端之间的电压 差为0—“虚短” 注：对于实际的运放，在闭环工作时“虚短”才成立。 (2) 理想运放两个输入端的电流为 0。 分析运放电路的输出-输入关系时，利用上述两个特性。
EC
一、运放参数
主要参数 -最大额定值(极限参数)

压摆率：


理论分析

电压反馈放大器和电流反馈放大器的区别：带宽vs增益

电压反馈放大器和电流反馈放大器与频率相关的反馈模型下图所示
理论分析

电压反馈放大器和电流反馈放大器的区别：压摆率

当信号幅度较大时，压摆率常常比带宽更占据主导地位。
电压反馈放大器，电流反馈放大器的选用

A. 在低速精密信号调理中，基本上看不到电流反馈放大 器的身影，因为其直流精度远不如精密电压反馈放大器。 B. 在高速信号调理中，应考虑设计中所需要的压摆率和 增益带宽积； 一般来说，电压反馈放大器在10MHz以下、低增益和 小信号条件下会拥有更好的直流精度和失真性能；而电流 反馈放大器在10MHz 以上、高增益和大信号调理中会表现 出更好的带宽和失真度。在高速信号调理中，当下面两种 情况任意出现一种时，你就需要考虑一下选择电流反馈放 大器：1. 噪声增益大于4；2. 信号频率大于10MHz。
f0 f0 =Ad fc

(电)压摆率SR(Slew Rate)，转换速率V/us. SR与GBW正相关， 例如 OP07，GBW=0.3MHz，SR=0.1V/us LM258，GBW=0.7MHz，SR=0.3V/us TL81， GBW=2.5MHz，SR=8V/us 正弦信号的变化速率： du d (U m sin 2ft ) ( ) max ( ) max 2fU m (cos 2ft )t 0 2fU m



*输入电阻Rin（105~1013 Ω ），分差模和共模，指动态电阻。 *输入电容Cin（几p） *输出电阻Rout（数十Ω~几百Ω） 大信号电压增益Avo， 15~30000V/mV(85~150dB)，即开环差模增益。 共模抑制比CMRR（60~145dB）：输出对共模电压的抑制能力：
集成运算放大器的应用和选型
唐红文
运算放大器的应用和选型


运放参数 运算放大器的应用 运放分类 宽带放大器的选型

宽带放大器设计实例
理想模型主要参数

理想运算放大器的主要特征是：
(1) 差模电压增益Aod=∞； (2) 共模抑制比CMRR=∞（共模增益=0）； (3）差模、共模输入电阻Rid、Ric=∞，偏置电流Iib=0； (4) 输出电阻Ro=0； (5) 失调电压Uos、失调电流Ios，以及它们的温度系数均为0； (6) 转换速率SR=∞；带宽=∞； (7) 干扰或噪声均为 0。
输入缓冲+宽带压控增益放大+宽带功率驱动
理论分析

第一个问题，要求输入阻抗>1M 欧姆

输入缓冲：选择FET型输入的高速放大器

TI的电压反馈型FET高速放大器

理论分析 第二个问题，要求大带宽且高压摆率。

带宽增益积：


题目中要求放大器最大电压增益AV=60dB，即Gain=1000。 放大器的通频带0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积为 GBP = 1000 * 10M = 10G 单个放大器是很难达到10G的GBP，所以我们考虑多级放大器 级联。 题目中要求放大器输出信号：10VRMS，负载为50 欧姆 输入信号：正弦波，10MHz SR=|dV/dt|max=Vppω=3517 V/μs 当信号幅度较大时，压摆率常常比带宽更占据主导地位，通常 来说，电压反馈放大器的压摆率一般在500V/uS 以下，对于电 流反馈放大器拥有的数千V/us 的压摆率。

也可以将BUF634放置到THS3001 的反馈环路中，利用负 反馈减小失调电压和失真：
理论分析

第五个问题：数字反馈控制 实现自动增益控制，即AGC

用模拟反馈或数字反馈。

VCA810、VCA820配合外部宽带放大器实现模拟AGC。
三、运放分类

按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般 可分为：


通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻 抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放。 另外还有一些特殊运放，例如程控运放、电流 运放、电压跟随器等等。

实际上由于为了满足应用需要，运放种类 极多。

按照运放的工艺分类 Bipolar（双极性） JFET（结型场效应管） CMOS（互补金属氧化体） Difet（绝缘隔离FET）
要求单级高增益（100倍以上）的放大器应采用高增益运放。 免调整（校准）设计或超低温漂要求时，采用“零失调、零漂移” 运放或低漂移运放：如AD857x、AD8638/9、OPA334/5、OP07等。 输入端需要接高电阻（如滤波器）时，可选低偏置电流的运放如场 效应管输入的运放，比 “零失调、零漂移”运放，如TL08x、LFxxx。 快变信号（如音频）放大器要选大压摆率（或大增益带宽积）的运 放。视频放大采用视频运放。 小信号（μV级）非慢变信号放大器要选低噪声运放，慢变信号(直 流)放大器对噪声没有特殊要求，可以用低截止频率的低通滤波器滤 除噪声。
三、运算放大器的选型

电源电压 单电源和双电源 双电源运放如果采用单电源供电，信号的参考点不能是电源的负 极，必须将参考点“垫高”：选择参考点位于电源正极与负极（电 源地）之间。或者将信号“垫高”（加偏置电压），离开非线性区。 如果以负极为信号的参考点，则小信号区非线性严重。 同样，单电源供电时，如果要放大双极性信号或交流信号，将参 考点“垫高”，或者将信号垫高，变成单极性信号。 单电源运放可以用双电源供电，以放大双极性信号或交流信号。


I ib ( I B1 I B 2 ) 2
I os I B1 I B 2

两个输入端的偏置电流是不相等的，我们把它变成一个相等的部分
Iib和两者之差Ios来分析。

输入失调电流温漂ΔIos/ΔT（pA级 /℃）
对于结型场效应管输入型运放，给出输入偏置电流-温度曲线。
主要参数-电气特性

I B1 I B 2 U IO
ui 1
ui 2
EC
u0






基本引出端：反相输入端、同相输入端、正电源端、负电源端、输出 端、*调零端、*相位补偿端 。 （最大）电源电压：双电源 ±Vs；单电源 Vs或±1/2Vs （最大）输入电压或输入共模电压：一般为电源电压范围或略低。 （最大）输入差分电压： ±Vd，Vd一般为（正电源电压减去负电源电 压） （最大）耗散功率：指允许芯片本身消耗的功率（发热），有的还给 出环境温度升高时的降额规律或热阻Rja，或输出电流降额曲线。 最高结温和/或工作环境温度范围： 0~70℃，-25~85 ℃，-40~85 ℃，-40~105 ℃，-40~125 ℃，55~125 ℃ 储存温度范围：- 55~125 ℃， -65~150 ℃

-
设计要点： 输入阻抗大于1M Ohm；（选择高输入阻抗的宽带 放大器） 输入信号：正弦波, 10MHz，<=10mVRMS； 增益：0dB - 60dB, 步进尽可能小；（选择灵活 的增益可变宽带放大器） 输出信号：10VRMS，负载为50 欧姆（高压摆率和 高输出功率） 肉眼观察无明显失真 增加一个自动增益控制功能：4.5Vpp <= Vout <= 5.5Vpp （闭环控制）

理论分析


前置放大器部分： 信号的幅度较小， 我们可以选择±5V供电的电压反馈放 大器OPA842 来进行14dB的固定增益放大； 功率级的20dB放大器部分： 选择±18V供电的电流反馈放大器THS3001HV来实现大电压 的高速信号输出。

前置放大器部分：电压反馈放大器OPA842 来进行14dB的 固定增益放大
理论分析

第四个问题：高输出功率 解决方案：宽电压CFB THS3001和宽带缓冲器 BUF634 题目要求：负载50欧姆 负载驱动电流
±18V 供电的THS3001HV 提供了±14V 的正弦信号。若期望负载 为50 欧姆，需要信号源提供的电流为±300mApp，THS3001HV能提 供的电流为±100mApp，于是利用BUF634 宽带和大电流输出的两个 特点，使用并行的3 片BUF634 来完成功率驱动。这里的BUF634拥有 可选的30MHz 或180MHz 的带宽模式，同时拥有±250mA的输出能力。
CMRR(dB) 20 lg

式中Ad为差模增益，Ac为共模增益。 电源电压抑制比PSRR或SVRR（65~145dB）：输出对电源电压变化的抑制能力 VCC PSRR(dB) 20 lg U O Ad 输入等效电压噪声和电流噪声（p-p值或rms值，0-10Hz）nV-μV级；pA级。 输入等效电压噪声密度和电流噪声密度（ rms 值，1KHz、100Hz、10Hz） nV/√Hz级；fA~pA/ √Hz级（在一定范围内，噪声和频带宽度的平方根成正比） 通用运放噪声大、“零失调、零漂移”运放电压噪声大，但电流噪声小。OP07 等精密运放二者都小。

功率级的 20dB放大 器部分： 选择±18V 供电的电 流反馈放 大器 THS3001HV 来实现大 电压的高 速信号输 出。
理论分析

第三个问题：实现增益步进可调

程控增益放大器
带宽和压摆率远远不够10MHz放大如此多倍的要求。 压控增益放大器
专门为宽带高速模拟信号放大而专门设计的。

Ad Ac

主要参数-电气特性


静态供电电流 Supply Current，功率消耗Power dissipation或Power Consumption（无负载时，与最大耗散功率区别） 动态参数 截止频率（3分贝带宽）fc：开环增益下降到0.707Avo时的频率 增益带宽积GBW，GBP，或称单位增益带宽：增益下降到1时的频率




三、运算放大器的选型

设计实例：宽带直流放大器

-
要求： 输入阻抗大于1M Ohm; 输入信号：正弦波, 10MHz，<=10mVRMS 增益：0dB - 60dB, 步进尽可能小 输出信号：10VRMS，负载为50 欧姆 肉眼观察无明显失真 增加一个自动增益控制模块使得：4.5Vpp <= Vout <= 5.5Vpp
dt dt
故要求
SR≥2πfUom
（ Uom-输出电压振幅）
二、运放的应用




信号放大 信号缓冲：使用电压跟随器实现阻抗变换。 信号运算：加、减、乘、除、微分、积分、对 数、反对 数、精密整流。 有源滤波 有源校正(PID调节） 波形发生 比较器：要求高速响应时，可采用专用比较器芯片。