ADI模拟电子器件基础学习笔记(一)——运算放大器

2023-05-16

运算放大器:
开环增益与单位增益稳定:
精密运放开环增益160dB(1亿倍)或以上
6dB/8倍频程下降——频率升高后 开环增益下降速率
运算放大器一般有一个以上的极点,如果过开环增益在第二个极点的频率之前降至0dB一下,运算放大器在任何增益下均会无条件保持稳定——单位增益稳定
闭环增益:分为信号增益和噪声增益
G-闭环增益 NG-噪声增益 AVOL-开环增益
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一般运放的开环增益高,故认为闭环增益=噪声增益
同相模式和反向模式下信号增益和噪声增益的不同
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输入失调电压(VOS):在运放开环使用,加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为0
1uV以下 优秀 100uV以下 较好 最大到几十mv
失调电压漂移: 当温度变化(µV/°C)、时间持续(µV/MO)、供电电压(µV/V)等自变量变化时, 输入失调电压会发生变化
精密运放的输入失调电压温漂小于±1uV/℃
选择高稳定性、漂移系数小的运放;运用自归零技术,测量失调电压并在信号处理过程中将当前失调电压减掉
降低失调误差:
保持降低的输入/反馈阻抗值,可降低由偏置电流效应引起的失调电压
不采用内部偏置补偿,将偏置补偿阻抗用于VFB运算放大器,对该阻抗进行旁路,实现最低噪声拾取
VFB内部有偏置电流补偿,不要使用补偿电阻
使用外部失调调整网络
选择低失调和漂移性能的适用1精密运算放大器
注意热电偶效应,并使用平衡、低热误差布局,实现高性能低漂移电路
当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为T0 ,称为自由端(也称参考端)或冷端,回路中将产生一个电动势,该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”,两种导体组成的回路称为“热电偶”,这两种导体称为“热电极”,产生的电动势则称为“热电动势”。
热电偶回路中热电动势的大小,只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关,而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后,热电动势便是两接点温度t和t0。的函数差
斩波稳定(自稳定)精密运算放大器
斩波稳定(自稳定)放大器:获得最低的失调和漂移性能的可能唯一解决方案
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斩波频率通常在百HZ-几HZ之间,输入频率必须低于斩波频率的一半,为防止混叠出现的误差
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A1为主放大器 A2为零放大器 在开关S位下,零放大器A2将监控A1的输入失调电压,并在A1的零点校准引脚出施加一个合适的校正电压,使输出驱动为0;
在开关处于Z位时,A2纠正自己的失调电压;此时A2从A1断开,将其输入端一起短路,并将其输出端耦合至自己的零校准引脚;自稳零模式期间,A1的校正电压由C1保持,C2则在采样模式期间保持A2的校正电压;
现代斩波稳定运放中,C1 C2是片内提供的
输入偏置电流(IBias):输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的平均值
优劣范围:60fA-100uA
后果:1、当放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时,过大的输入偏置电流会分掉被测电流,使测量失准
2、放大器输入端通过一个电阻接地,电流将在电阻上产生不期望的输入电压
消除偏置电流影响:
(1)内部偏置电流消除:内部偏置电流补偿
(2)运放外部消除:
使用偏置补偿电阻
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R3=R1//R2在同相输入上引入压降,方便反相输入中R1和R2并联组合上的压降匹配并实现补偿。可以最大程度的减少失调电压误差;当R3>1K时,需要使用电容旁路消除噪声影响;
偏置电流匹配不佳,这种消除偏置的方法无用可能会更糟
输入失调电流(IOS):输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的差值
优劣范围:20fA-200uA
输入端客观存在电流有差异,无法用外部电阻实现匹配抵消偏置电流的影响
输入电压范围(IVR):运算放大器正常工作的最大输入电压范围,也称为共模输入电压范围;运放最大输入电压范围与电源范围比较接近,比如相差0.1V 相等、超过 称为输入轨到轨
输出电压范围(VOH/VOL):在给定电源电压和负载情况下,输出能够达到的最大电压范围。运放的输出范围接近电源电压范围,称为输出轨到轨或RRO rail to rail output
RRIO-输入输出均轨到轨
噪声指标(Noise):1/f噪声,电能力密度曲线随着频率的上升而下降或白噪声,即与频率无关
共模信号抑制比(CMRR):运放两输入端与地间加相同信号时,输入、输出间的增益称为共模电压增益AVC
CMRR=AV/AVC
共模抑制比一般在80-120dB之间
电源电压抑制比(SVRR):正、负电源电压变化时,变化量出现在运放的输出中,并将其换算为运放输入的值
若电源变化ΔVs 时等效输入换算电压为ΔVin,则 SVRR 定义为:SVRR = ΔVs/ΔVin
电源电压抑制比定义为运放工作于线性区,运放输入失调电压随电源电压的变化比值。
通常80dB左右,在设计电路中要妥善处理电源;高共模抑制比运放能补偿一部分的电源电压抑制比;双电源供电时,正负电源的电源电压抑制比可能不相同
消耗电流(ICC):
运算放大器电源端流通电流,随外加电路及电源电压而有所变化

转换速率(SR):压摆率
运放能跟踪输入信号变化的快慢程度,单位:V/us
运放转换速率定义为,运放接成闭环条件下,将一个大信 号(含阶跃信号) 输入到运放的输入端,从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在 转换期间,运放的输入级处于开关状态,所以运放的反馈回路不起作用,也就是转换速率与 闭环增益无关。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标, 对于一般运放转换速 率 SR<=10V/μs ,高速运放的转换速率 SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率 SR 达到 6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型

增益带宽积(GB):单位:MHZ
运放闭环增益1倍条件小,一个恒幅正弦肖信号输入到运放,从运放的输出端测的闭环电压增益下降3dB所对应的信号频率;用于小信号处理中运放选型
相位裕量(PM):衡量负反馈系统的稳定性并预测闭环系统阶跃响应的过冲
系统进入不稳定状态之前可以增加的相位变化,相位裕量越大,系统越稳定,时间响应速度减慢了。
运算放大器开环增益为0dB时的相位与180°的差值, 系统的环路增益大于等于0dB且相移超过180 ° 时,相位裕量表明了距离产生自激振荡的裕量大小。
纯阻性负载一般对相位裕量没有影响,感性负载对相位裕量有改善作用,而实际应用中最常应用的容性负载则会降低运算放大器电路的相位裕量,从而导致系统易产生自激振荡

同向放大器和增益:
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G=1+(RF/RG)
反向放大器和增益:
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G=-RF/RG
反向求和放大器:
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VREF=V+
半波整流器:
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应用:从交流输入获得直流电平,用于测量交流信号的幅度
理解:正输入电压,D2导通,D1断开,由于V+=V-,输出为GND
负输入电压,D1导通,D2断开,反向放大器,G=R2/R1
通常 增益是1
后端为一个滤波器,用于形成直流电平;转折频率应足够低,限制输出的交流纹波。
反转两个二极管,极性变换。
全波整流器:
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应用:均值监播器,测量交流信号的幅度
理解:在半波整流器的基础上,半波整流器输出地电位时,R4无电流,输入=输出
正半周期有输出波形。
在负半周期,令R2=2R1,对负半周期波形反向放大两倍用于抵消R3通道的波形,此时R3=R4 ,为反向加法器。
也可以R1=R2,令R3=2R4,通过调整R5的值更改电路增益
将全波整流器的加法器部分转换成滤波器:

转折频率F0=1/2PIR5*C1
此时输出转变成直流电平,二极管反转可以变换极性
单电源供电下,同相输入偏置到基准电压,通常为电源电压的1/2

电流反馈CFB和电压反馈VFB运算放大器拓补结构:
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VFB
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CFB:跨导运算放大器
(1)与VFB不同,CFB没有平衡输入;其V+端高输入阻抗,V-端低输入阻抗
(2)开环增益用Ω为单位衡量(跨导增益)
VFB开环增益用V/V来衡量
(3)反馈电阻R2为固定值,CFB可以通过改变R1来调整闭环增益而不对闭环带宽产生重大影响,带宽相对VFB相对稳定
CFB拓补结构主要用于对高速和低失真有极高要求的场合
在双极型晶体管电路中,电流的切换速度快于电压
CFB无恒定的增益带宽,CFB运算放大器的带宽随增益变化很小,小于VFB中de6dB/倍频程;CFB的带宽与反馈电阻成比例。每个CDB运算放大器都有最大带宽时的推荐反馈电阻值。超过了电阻值,就要减小带宽。阻值低于推荐阻值,相位裕量就会减小,放大器可能变得不稳定。
CFB放大器的反馈环路中不应该有电容

VFB特点:
噪声较低
直流性能较好
反馈元件选择自由
CFB特点:
压摆率较快
失真较低
反馈元件选择受限

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