模拟电路运放子技术里面的运放？

点击联系发帖人 时间：2019-10-26 03:12

模拟电路运放

小弟不才请各位大虾能告诉我，这个带宽增益后面乘的这个与k有关的系数是做什么的啊为什么要乘以它呢？

资深技术员, 积分 439, 距离下一级还需 61 积分

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大多数高精度模数转换器 (ADC) 都没有高阻抗输入输入信号直接通过一个开关连接到一个采样电容器。这种负载存在一些有趣的挑战
有人试图通过直接连接一个电位计到输叺来验证其ADC的运行，如图1所示这样做的结果通常让人失望，因为获得的结果并不理想这种情况下，在ADC输入上看到的信号呈现出巨大的峰值因为大输入阻抗从采样电容器吸取电流，从而导致对电容器充电需要大量的电流如果在转换器的采集时间tACQ内稳定下来，便不会出現问题但是，如果没有在tACQ内稳定到0.5最低有效位 (LSB)

图2显示了驱动一个高精度ADC的建议电路CSH为ADC内部的采样电容，而RSW为采样开关的导通电阻（通瑺低到可以忽略不计）转换器的采集时间tACQ期间，采样开关关闭

图1 高源阻抗会引起精度损耗

图2 驱动高精度ADC的建议电路

外部CFLT用于提供充电CSH所需的瞬时电流，其必须至少为20x CSH一般而言，1nF较为合适RFLT用于阻止驱动运算放大器承受纯电容性负载。这样RFLT和CFLT构建起一个时间常量为τ=RFLTCFLT嘚RC电路。

为了保证所有一切都及时稳定以获得精确的信号采集tACQ必须为≥k τ，其中k=ln(2(N+1))。K为一个N位转换器稳定至0.5LSB要求的时间常量值由此，您鈳以确定最大值τ，以及RFLT的值

选择驱动运算放大器的关键参数是其单位增益带宽，其必须为 4(1/(2πRFLTCFLT)) 以足够快地稳定一些设计人员通常会忘記这个要求，可能选择一款比要求慢得多的运算放大器从而得到令人失望的结果。

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互阻抗放大器是一款通用运算放大器，其输出电压取决于输入电流和反馈电阻器：我经常见到图 1 所示的这款用来放大光电二极管输出电流的电路几乎所有互阻抗放大器电路都需要一个与反馈电阻器并联的反馈电容器 (CF)，用以补偿放大器反相节點的寄生电容进而保持稳定性。有大量文章都介绍了在使用某种运算放大器时应如何选择反馈电容器但我认为这根本就是错误的方法。不管我们半导体制造商相信什么工程师都不会先选择运算放大器，然后再通过它构建电路！大部分工程师都是先罗列一系列性能要求再寻找能满足这些要求的部件。鉴于这种考虑最好先确定电路中允许的最大反馈电容器，然后选择一个具有足够增益带宽积 (GBW) 的运算放夶器以便能与该反馈

我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集，但是这些应用都建立在双电源的基础上很多时候，电路的设計者必须用单电源供电但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心设計者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。 1．1 电源供电和单电源供电所有的运算放大器都有两个电源引脚一般在资料中，它们的标识昰VCC＋和VCC－但是有些时候它们的标识是VCC＋和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别泹是，这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下在运放不是按默认电压供电的时候，需要参考

在电路设計过程中应用工程师往往会忽视印刷电路板(PCB)的布局。通常遇到的问题是电路的原理图是正确的，但并不起作用或仅以低性能运行。茬本篇博文中我将向您介绍如何正确地布设运算放大器的电路板以确保其功能、性能和稳健性。我与一名实习生最近在利用增益为2V/V、负荷为10k?、电源电压为+/-15V的非反相配置OPA191运算放大器进行设计图1所示为该设计的原理图。图1：采用非反相配置的OPA191原理图我指派实习生为该设计咘设电路板同时为他做了PCB布设方面的一般指导（即尽可能缩短电路板的走线路径，同时将组件保持紧密

运算放大器组成的电路五花八门令人眼花瞭乱，是模拟电路运放路中学习的重点在分析它的工作原理时倘没有抓住核心，往往令人头大为此本人特搜罗天下运放电蕗之应用，来个“庖丁解牛”希望各位从事电路板维修的同行，看完后有所斩获遍观所有模拟电路运放子技朮的书籍和课程，在介绍運算放大器电路的时候无非是先给电路来个定性，比如这是一个同向放大器然后去推导它的输出与输入的关系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi那是一个反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后学生往往得出这样一个印象：记住公式就可以了！如果我们将电路稍稍变换一下他们就找不着北了！偶缯经面试过至少100个以上的大专以上学历的电子专业应聘者，结果能将我给出的运算放大器电路分析得一点不错

用万用表在电路板上先直接量高阻值的电阻两端的阻值如果量得阻值比标称阻值大，则这个电阻肯定损坏(要注意等阻值显示稳定后才下结论因为电路中有可能并聯电容元件，有一个充放电过程)如果量得阻值比标称阻值小，则一般不用理会它这样在电路板上每一个电阻都量一遍，即使“错杀”┅千也不会放过一个了。运算放大器好坏判别运算放大器好坏的判别对相当多的电子维修者有一定的难度不只文化程度的关系，在此與大家共同探讨一下希望对大家有所帮助。理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性这两个特性对分析线性运用的运放电路十汾有用。为了保证线性运用运放必须在闭环(负反馈)下工作。如果没有负反馈开环放大下的运放成为一个比较器。如果要判断器件的好壞

当数字音频信号被DAC解码出模拟电路运放信号之后放大器需要将模拟信号放大以驱动耳机或音箱。运算放大器可以把模拟电路运放信号莋各种运算音频方面通常做进行信号放大、滤波等运算。运算放大器的内部是由各种各样的二极管三极管等晶体管协调工作一般而言，双极型晶体管拥有精准以及低噪声的特性NE5532就是这样的传奇。而JFET（场效应晶体管）拥有高速特性可以提供更好的性能，从而带来更优秀的高频性能以及更清晰的音质体验来自Analog Devices公司的OP275运算放大器则是这样的混合体。　　一般来说一枚运算放大器芯片的功率足以驱动耳機，而音箱取决于扬声器单元的不同通常需要20W以上的功率放大器进行驱动。通常音箱放大器可以分为大功率

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运算和乍看似乎可以互换实际仩，两者还是存在一些重要差异比较器用于开环系统，旨在从其输出端驱动逻辑以及在高速条件下工作，通常比较稳定的用途不同於比较器，过驱时可能会饱和使得恢复速度相对较慢。施加较大差分时很多运算放大器的输入级都会出现异常表现，实际上运算放夶器的差分输入电压范围通常存在限制。运算放大器输出也很少兼容逻辑电路

但是仍有很多人试图将运算放大器用作比较器。这种做法茬低速和低分辨率时或许可行但是大多数情况下结果并不理想。单靠参考运算放大器数据手册不能解决将运算放大器用作比较器的所有楿关问题因为运算放大器设计的目的并非用作比较器。

最常见的问题是速度(之前已经提到过)、输入结构的影响(保护、FET放大器的相位翻转等)、输出结构(并非用于驱动逻辑电路)、迟滞、稳定性以及共模效应。

速度考虑因素 大多数比较器速度都很快不过很多运算放大器速度吔很快。为什么将运算放大器用作比较器时会造成低速度呢

比较器用于大差分输入电压，而运算放大器工作时差分输入电压一般会在負反馈的作用下降至最低。当运算放大器过驱时有时仅几毫伏也可能导致过载，其中有些放大级可能发生饱和这种情况下，器件需要楿对较长的时间从饱和中恢复因此，如果发生饱和其速度将比始终不饱和时慢得多(参见图1)。

过驱运算放大器的饱和恢复时间很可能远遠超过放大器的正常群延迟并且通常取决于过驱量。由于仅有少数运算放大器明确规定从不同程度过驱状态恢复所需的时间因此，一般说来有必要根据特定应用的具体过驱情况，通过实验确定放大器的特性

对这类实验的结果应持谨慎态度，通过比较器(运算放大器)的傳播延迟值(用于最差条件下的设计计算)应至少为所有实验中最差值的两倍

图1：放大器用作比较器时的放大器速度饱和效应

输出考虑因素 仳较器的输出端用于驱动特定逻辑电路系列，运算放大器的输出端则用于在供电轨之间摆动

通常，运算放大器比较器驱动的逻辑电路不會共用运算放大器的电源运算放大器轨到轨摆动可能会超出逻辑供电轨，很可能会破坏逻辑电路引起短路后还可能会破坏运算放大器。

有三种逻辑电路必须考虑即ECL、TTL和。

ECL是一种极快的导引逻辑系列基于上述原因，当应用中涉及ECL的最高速度时运算放大器不太可能会鼡作比较器，因此通常只需注意从运算放大器的信号摆幅驱动ECL逻辑电平，因杂散造成的额外速度损失并不重要只需采用三个即可，如圖2所示

图中选用了R1、R2和R3，当运算放大器输出为正值时栅级电平为–0.8 V，当输出较低时栅级电平为–1.6 V。ECL有时候采用正电源而不是负电源(即另外一个供电轨接地)

采用的基本接口电路相同，但是数值必须重新计算

图2：驱动ECL逻辑电路的运算放大器比较器

虽然CMOS和TTL输入结构、逻輯电平和电流差别很大(尽管有些CMOS明确规定可以采用TTL输入电平工作)，但由于这两种逻辑电路都在逻辑0(接近0 V)和逻辑1(接近5 V)时工作因此非常适合采用相同的接口电路。

图3：驱动TTL或CMOS逻辑电路的运算放大器比较器

最简单的接口采用单个N沟道MOS晶体管和一个上拉电阻RL如图3所示。用NPN晶体管、RL外加一个晶体管和二极管也可以组成类似的电路。这些电路简单、廉价且可靠还可以连接多个并联晶体管和一个RL，实现“线或”功能但是0-1转换的速度取决于RL值和输出节点的杂散电容。RL值越低速度越快，但是功耗也会随之增加通过采用两个MOS器件、一个P沟道和一个N溝道，可以组成一个只需两个器件的CMOS/TTL接口每种状态下都没有静态功耗(参见图4)。

图4：内置CMOS驱动器的运算放大器比较器

此外只需改变器件嘚位置，就可以设置成反相或同相但是，当两个器件同时打开时开关过程中势必会产生较大的浪涌电流，除非采用集成高通道电阻的MOS器件否则就可能需要使用限流电阻来减小浪涌电流的影响。该图和图3中的应用所采用的MOS器件栅源击穿电压VBGS在每个方向都必须大于比较器嘚输出电压MOS器件中常见的栅源击穿电压值VBGS > ±25 V，这一数值通常绰绰有余但是很多MOS器件内置栅级保护二极管，会减小这一数值所以这些器件不应采用。

输入考虑因素 对于用作比较器的运算放大器还需考虑与其输入相关的多种影响因素。工程师对所有运算放大器和比较器莋出的第一级假设是：它们具有无穷大的输入阻抗并且可视为开路(电流反馈(跨导)运算放大器除外，这种运算放大器同相输入端具有高阻忼但反相输入端只有几十欧姆的低阻抗)。

但是很多运算放大器(尤其是偏置补偿型运算放大器如OP-07及其很多后继产品)都内置保护电路，以防止大电压损坏输入器件

其它运算放大器则内置更复杂的输入电路，在施加的差分电压小于几十毫伏时只具有高阻抗或者在差分电压夶于几十伏时可能会损坏。因此将运算放大器用作比较器时，如果施加大差分电压必须仔细研究数据手册，才能确定输入电路的工作方式(采用时，务必研究数据手册确保其非理想特性(每个集成电路都存在一些非理想特性)兼容推荐的应用——本文中这点尤为重要。)图5所示为内置防止大差分电压输入二极管的运算放大器

当然，有一些比较器应用不存在大差分电压即使存在，比较器输入阻抗相对而言吔不太重要这种情况适合将运算放大器用作比较器，其输入电路表现为非线性但是涉及的问题必须考虑，不能忽视

图5：具有保护功能的运算放大器输入结构

对BIFET运算放大器而言，如果其输入接近其中一个电源(通常为负电源)几乎都会表现异常。其反相和同相输入可以互換如果运算放大器用作比较器时发生这种情况，涉及的系统相位将会反转造成极大不便。要解决这一问题还是必须仔细阅读数据手冊，确定合适的共模范围

而且，没有负反馈意味着与运算放大器电路不同输入阻抗不必乘以开环增益。因此输入电流会随着比较器開关而变化。因此驱动阻抗和寄生反馈对影响电路稳定性起着重要作用。负反馈往往会使放大器保持在线性区域内正反馈则会使其饱囷。

运算放大器设计的目的不是用作比较器因此，在此不太建议这种做法尽管如此，在某些应用中将运算放大器用作比较器却是正確的设计决策，关键是要慎重考虑后再做出决策并确保所选运算放大器能达到预期的性能。因此必须仔细阅读数据手册，认真考虑非悝想运算放大器性能的影响并计算出运算放大器参数对应用的影响。由于运算放大器以非标准方式使用可能还必须进行某些实验——實验所用的放大器不一定具有典型性，因此解读实验结果时不宜过于乐观。

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