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
上海充通大￥ SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.4 集成运算放大器详解 s/u ■ Why虚断？ >理想假设之一：R无穷大 VCC ■ Why虚短？ >理想假设之二：K无穷大 Ro ■ Why虚地？ K平 Vo >Not Always True. >只有当两个输入中的一个接地，另一个输入才能视为 0 GND 虚地（因为虚短总是成立的） ■ 实际集成运放有多不理想？ >输入电阻R>102,“虚断”了吗？电流在μA以下 >开环放大倍数K>10,“虚短”了吗？电位差在μV以下
Page . 4 Why 虚断 ? 理想假设之一：Ri无穷大 Why 虚短？ 理想假设之二：K 无穷大 Why 虚地？ Not Always True. 只有当两个输入中的一个接地，另一个输入才能视为 虚地（因为虚短总是成立的） 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 ± VCC GND Ri RO K*Vi Vi Vo 集成运算放大器详解
上海文通大学 SHANGHAI IIAD TONC UNIVERSITY 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)(<40) 种类繁多，如何选择？ ·高输出电流(44)(100mA) 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*(R1+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 INME0交 SINTERNALLY >TRIMMED -VEE O
集成运放的结构特点
上海充通大￥ SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.8 集成运放的结构特点 差分输入放大电路 ·理想差分电路：应该完全平衡，元件参数严格匹配 ·实际差分电路：很难完全平衡存在失调现象. 推挽输出电路(push-pul川) ·降低输出电阻 ·增强带负载能力 输出电压的摆幅取决于上拉管和下拉管的饱和压降Vs(Rail to Raill除外) ·最高输出正电压=V-Vos ·最低输出负电压=V+Vs 补偿电容防止闭环应用出现自激振荡。高速运放需要使用更小的电容，当闭环放大倍数太小时，太强的反馈 容易引起自激振荡
Page . 8 集成运放的结构特点 差分输入放大电路 • 理想差分电路：应该完全平衡,元件参数严格匹配 • 实际差分电路：很难完全平衡,存在失调现象. 推挽输出电路(push-pull) • 降低输出电阻 • 增强带负载能力 输出电压的摆幅取决于上拉管和下拉管的饱和压降Vces（Rail to Rail除外） • 最高输出正电压=V+-Vces • 最低输出负电压=V-+Vces 补偿电容防止闭环应用出现自激振荡。高速运放需要使用更小的电容，当闭环放大倍数太小时，太强的反馈 容易引起自激振荡
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.9 集成运算放大器 通用集成运算放大器 ·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 高性能集成运算放大器 ·开环增益：120dB ·输入电阻：102 ·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 . 9 通用集成运算放大器 • 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 • 开环增益：120dB • 输入电阻：109 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(=25c, 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/μs 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 10M2 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