文鱼大浮 3 集成运放与调理电路 电气工程系 罗利文 lwluo@sjtu.edu.cn h 上海文通大淫 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
集成运放与调理电路 ▪ 电气工程系 罗利文 ▪ lwluo@sjtu.edu.cn
上海充通大￥ SHANGHAI IIAD TONC UNIVERSITY Page.2 信号调理电路及其作用 在现代电气测量系统中，调理电路是一个重要组成部 分，它位于传感器和ADC之间，其功能可以概括成以 下几点 ·放大作用：电压放大应使测量范围对应ADC的满量程输入电压范围 共模抑制：抑制差分输入信号中的共模电压分量 阻抗转换：将高阻信号源转变为低内阻的信号输出 ·电气隔离：光电隔离和变压器隔离的集成运放
Page . 2 在现代电气测量系统中，调理电路是一个重要组成部 分，它位于传感器和ADC之间，其功能可以概括成以 下几点： • 放大作用：电压放大应使测量范围对应ADC的满量程输入电压范围 • 共模抑制：抑制差分输入信号中的共模电压分量 • 阻抗转换：将高阻信号源转变为低内阻的信号输出 • 电气隔离：光电隔离和变压器隔离的集成运放。 信号调理电路及其作用
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.3 不要混淆几个术语 外围 集成运放 集成运放 阻容器件 电路 共模 差模 差分 电压 电压 电压
Page . 3 不要混淆几个术语 共模 电压 差模 电压 差分 电压 集成运放 外围 阻容器件 集成运放 电路
上海文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.4 集成运算放大器详解 ■ 理想集成运放 1.理想的R,=无穷大， 所以虚断 VCC 0 2.理想的K=无穷大，所以虚短 3.理想的R,=0 Ro 4.虚地Not Always True..只有当两个输入中的一个接地 K平 ,因为虚短，另一个输入可视为虚地 Vo ■ 实际集成运放有多不理想？ 0 >输入电阻R>107Ω，“虚断"了吗？电流在μA以下 GND >开环放大倍数K>10,“虚短”了吗？电位差在μV以下 >R,约在100欧姆数量级
Page . 4 理想集成运放 1. 理想的Ri = 无穷大，所以虚断 2. 理想的K= 无穷大，所以虚短 3. 理想的R0 =0 4. 虚地Not Always True. 只有当两个输入中的一个接地 ，因为虚短，另一个输入可视为虚地 实际集成运放有多不理想？ 输入电阻 Ri > 107 , “虚断”了吗？ 电流在A以下 开环放大倍数 K > 106 , “虚短”了吗？ 电位差在V以下 R0 约在100欧姆数量级 ± VCC GND Ri RO K*Vi Vi Vo 集成运算放大器详解
上海克通大学 HA0eAt1n作TeB时IVEESITY Page.5 运算放大器 ~高速放大器（大于等于50MHz)(164) 精密放大器(510) >低功耗117) > 低输入偏置电流/FET输入(31) 某半导体公司的运算放大器产品目录 >低噪声(45) ~宽带(135) ~低偏移电压(99) > 高电压(4)(标准线性放大器(206) > 比较器(82) 理解重要的技术参数是关键 仪表放大器(31) >单电源(17) >双电源(12) 差动放大器(25) 可编程增益放大器(11) 隔离放大器(3) 特殊功能放大器 > 跨导放大器(3) 对数放大器(T) 多路复用器(4) > 乘法器(1) PWM功率驱动器(16) 可变增益放大器(21)
Page . 5 运算放大器 高速放大器（大于等于 50MHz ） (164) 精密放大器 (510) 低功耗 (117) 低输入偏置电流/FET 输入 (31) 低噪声 (45) 宽带 (135) 低偏移电压 (99) 高电压 (4) (<40V) 高输出电流 (44) (100mA) 标准线性放大器 (206) 比较器 (82) 仪表放大器 (31) 单电源 (17) 双电源 (12) 差动放大器 (25) 可编程增益放大器 (11) 隔离放大器 (3) 特殊功能放大器 跨导放大器 (3) 对数放大器 (7) 多路复用器 (4) 乘法器 (1) PWM 功率驱动器 (16) 可变增益放大器 (21) 某半导体公司的运算放大器产品目录 种类繁多，如何选择 ? 理解重要的技术参数是关键
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.6 基本放大电路 ■单端信号的放大电路 ■差分信号信号放大电路 >反相放大电路：输入阻抗为R1 >输入差分信号，输出单端信号 >同相放大电路：输入阻抗为运放的输入阻抗 >不足：输入阻抗=2*(R+R),要求信号源内阻远 小于(R1+R) Vout Vout Vout Null Null V-o Vou/Vin=-RgR Vo/Vin=1+RR 公共端 Rin=R R知A的同相输入电阻（很高） (a) (b) Vout/Vid=-Rp/RI
Page . 6 单端信号的放大电路 反相放大电路：输入阻抗为R1 同相放大电路：输入阻抗为运放的输入阻抗 差分信号信号放大电路 输入差分信号, 输出单端信号 不足: 输入阻抗 =2*(R1+Rf ),要求信号源内阻远 小于(R1+Rf ) 基本放大电路 A _ + Vid • R1 Rf V+ Vout V- Vout/Vid= -Rf/R1 R1 Rf • • Vic • 公共端
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY 集成运放的结构特点 Vcc 输出级推挽电路 ①作用 降低输出电阻，增强电路 驱动能力 输入级差分放大电路 2输出电压V,的摆幅 ①理想差分放大电路 由于上拉管和下拉管存在 完全抑制共模 饱和压降Vces(约1V) INTERNALLY INTERNALLY TRIMMED TRIMME D 最高输出正电压=V-Ves ②实际差分放大电路 VEE O 最低输出负电压=V~+Vcs 存在输入失调 不能完全抑制共模 中间级放大电路 采用有源负载 提高放大倍数
集成运放的结构特点 输入级差分放大电路 ① 理想差分放大电路 完全抑制共模 ② 实际差分放大电路 存在输入失调 不能完全抑制共模 输出级推 挽电路 ① 作用 降低输出电阻,增强电路 驱动能力 ② 输出电压 V 0的摆幅 由于上拉管和下拉管存在 饱和压降 VCES（约1V ） 最高输出正电压=V + - Vces 最低输出负电压=V - + Vces 中间级放大电路 采用有源负载 提高放大倍数
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.8 集成运算放大器 通用集成运算放大器 主要性能指标参数平庸 .输入失调电压：1mv ·单位增益带宽：1Mhz 高性能集成运算放大器 ·电压摆率：1v/s ·输入电阻：1-10M2 ·某些指标参数相比通用集成运放有明显的提高。 ·如超低失调集成运放，高速运放，宽带运放等
Page . 8 通用集成运算放大器 主要性能指标参数平庸 • 输入失调电压：1mv • 单位增益带宽：1Mhz • 电压摆率：1v/s • 输入电阻：1-10M 高性能集成运算放大器 • 某些指标参数相比通用集成运放有明显的提高。 • 如超低失调集成运放，高速运放，宽带运放等。 集成运算放大器
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY 典型运放部分技术参数的典型值T=25℃) 高性能集成运放的特色指标 DC 输入 运放类型 典型产 品 CMRR 电阻 -3dB带宽 电压摆率 运放类型 特色指标1 特色指标2 适用电路 通用集成运放 无 无 一般应用 通用型 uA741 1mV 90dB 2M2 1MHz 0.5V/s 低失调型高精 输入失调电压 OP-07 度型 低 CMRR高 精密测量 低失调型 30uV 120dB 60M2 0.6MHz 0.3V/s 高阻抗型 输入电阻高 输入偏置电流 小 信号源内阻高 斩波稳零型 1CL7650 5uV 130dB 105M2 2MHZ 2.5V/s 仪表放大器 输入失调电压 低 输入阻抗高 输入电压含共模 分量 高速型 电压摆率高 带宽大于 放大阶跃、脉冲 高阻抗型 CA3140 2mV 90dB 106M2 4.5MHz 9.0V/μs 50Mhz 信号 仪表型 AD623 25uV 110dB 2000M2 0.8MHz 0.3V/s 宽带型 带宽大 高频小信号 增益数字量控 需自动调节放大 高速型 AD8033 1mV 100dB 20002 80MHz 80V/s 可调增益型 制 倍数 隔离型 输入输出隔离 需要隔离一次侧
Page . 典型运放部分技术参数的典型值（T=25℃） 运 放 类 型 典型产 品 输入 失调 电压 DC CMRR 输入 电阻 3dB带宽 电压摆率 通用型 uA741 1mV 90dB 2 M 1MHz 0.5V/s 低失调型 OP-07 30V 120dB 60 M 0.6MHz 0.3V/s 斩波稳零型 ICL7650 5V 130dB 106 M 2MHZ 2.5V/s 高阻抗型 CA3140 2mV 90dB 106M 4.5MHz 9.0V/s 仪表型 AD623 25V 110dB 2000 M 0.8MHz 0.3V/s 高速型 AD8033 1mV 100dB 2000 80MHz 80V/s 高性能集成运放的特色指标 运放类型 特色指标1 特色指标2 适用电路 通用集成运放 无 无 一般应用 低失调型/高精 度型 输入失调电压 低 CMRR高 精密测量 高阻抗型 输入电阻高 输入偏置电流 小 信号源内阻高 仪表放大器 输入失调电压 低 输入阻抗高 输入电压含共模 分量 高速型 电压摆率高 带宽大于 50Mhz 放大阶跃、脉冲 信号 宽带型 带宽大 / 高频小信号 可调增益型 增益数字量控 制 / 需自动调节放大 倍数 隔离型 输入输出隔离 / 需要隔离一次侧
上海文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.10 差分放大电路的瑕疵一输入失调 输入失调现象 。 产生原因：理想的差分放大电路是完全对称的，而实际的集成运放输入级差分放大电路则不 可能完全对称 ·不利影响：对集成运放的放大精度（零位及线性度）有重要影响 ·例如：图3中的LM324内部输入级Q1与Q4的电流放大系数β1≠β2，当输入差模信号为零，反 相和同相输入端都只包含相同的对地分量（即共模分量）时，组成差分放大电路的两个单端 信号放大电路必然输出不对称，也就是说差动输出不为零，这种现象就是运放的输入失调。 输入失调参数 输入失调电压(input offset voltage) ·输入失调电流(input offset current) ·共模抑制比CMRR(common mode restriction ratio)
Page . 10 输入失调现象 • 产生原因：理想的差分放大电路是完全对称的，而实际的集成运放输入级差分放大电路则不 可能完全对称 • 不利影响：对集成运放的放大精度（零位及线性度）有重要影响 • 例如：图3中的LM324内部输入级Q1与Q4 的电流放大系数1≠2，当输入差模信号为零，反 相和同相输入端都只包含相同的对地分量（即共模分量）时，组成差分放大电路的两个单端 信号放大电路必然输出不对称，也就是说差动输出不为零，这种现象就是运放的输入失调。 输入失调参数 • 输入失调电压（input offset voltage） • 输入失调电流（input offset current） • 共模抑制比CMRR（common mode restriction ratio）。 差分放大电路的瑕疵—输入失调