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  • 运算放大器工作原理Sorry, your browser does not support embedded videos. 运算放大器是一种集成电路,它是将电阻器、电容器、二极管、晶体三极管以及它们的连接线等全部集成在一小块半导体基片上的完整电路。  ...

    运算放大器工作原理

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      运算放大器是一种集成电路,它是将电阻器、电容器、二极管、晶体三极管以及它们的连接线等全部集成在一小块半导体基片上的完整电路。

      常用F007型的封装有圆外壳封装、扁平单列插封装和双列直插封装三种形式。集成电路可以分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。集成运算放大器是模似集成电路中应用最多的一种。

      集成运算放大器,简称集成运放或运放。它的电路图型符号如下图1一1所示。

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      常用的集成运放有单运放、双运放、四运放。这些仅是为它在不同条件和功能要求而制造而己。

      从图中可知集成运算放大器有三个端子,即反相输入端子、同相输入端子和输出端子。与输出电压极性相反的输入端称为反向输入端(用符号“一”表示)、与输出端电压极性相同的输入端称同相输入端(用符号“ ”表示)。

      1、集成运放根据性能要求,可分为通用型和专用型。通用型的直流特性较好,性能上能够满足许多领域应用的需要,价格也便宜。专用型运放低功耗型与高输入阻抗型、高速型、高精度型及高电压型等等。虽然集成运放的产品种类很多,内部电路也各有差异,但从电路的中 总体结果上来看又有许多共同之处。它们实际上都是直接耦合的多级放大器,极高的电压放大倍数。通常都是由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分来组成。如下图1-2所表示。

    3129ae2edca5d7b20da6fc4595525f32.png

      2、为了便于了解集成运放的组成,下面以国产通用型集成运放F007型进行分析介绍。F007型集成运放由24个三极管、10个电阻器和1个电容器所组成,其原理电路图如图1-3表示。

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      ①输入级。它是集成运放性能指标好与坏的关键,通常采用差分放大电路来减小温度漂移,获得尽可能高的共模抑制此,以及良好的输入特性。输入级还要求具有高的输入电阻,可以采用共集、共基复合电路。F007的输入级是由VT1~VT6组成的差动式放大电路,由vT6的集电极输出,VT1、VT3和VT2、VT4组成共集……共基复合差动电路。ⅤT7用来构成VT5、VT6的偏置电路。

      ②偏置电路。它根据各级的需要,集成运放内部采用各种形式的电流源电路。电流源具有很大的动态电阻,可以作为中间级的有源负载和差分电路的恒流源电阻。电流源还为各级提供小而稳定的直流偏置电流,从而确定合适而稳定的静态工作点。在电路中,由 Ucc→VT12→R5→VT11→Uee构成主偏置电路。主偏电路中VT11和V10组成微电流源,由lc10供给输入级中的VT3、ⅤT4的偏置电流。ⅤT8和VT9组成镜像电流源,供给VT1、VT2的工作电流。必须指出,由输入的偏置本身构成反馈环,可减小零点漂移。ⅤT12和ⅤT13构成双端输出的镜像电流源,VT13是一个双集电极的PNP型三极管,可以看成两个三极管,它们的两个基→射结互为并联。一路输出VT13的集电极B,提供VT17的偏置电流,同时又作为中间放大级的有源负载;另一路输出为vT13的集电极A,提供了输出级的偏置电流。

      ③中间级。它是集成运放的主要电压放大级,采用带有源负载的共射或共基放大电路来挖提高电压增益,并将差分放大电路的双端输入转换成集成运放的单端输出。F007集成运放这一级由ⅤT16和ⅤT17组成复合管共射极放大电路,其交流阻抗很大,所以这一级可以获得很高的电压放大倍数,与此同时它也具有较高输入电阻。

      ④输出级。它是用来提高电路的输出电流和功率,即带负载能力。F007集成运放的输出级是由VT14和VT20组成的互补对称电路。为了使电路工作于甲乙类放大状态,利用VT18管集→射极两端电压Uce18接于VT14和VT20两管基极之间,给ⅤT14、VT20提供一起始偏置电压,同时利用VT19管(接成二极管)的Uee连接于VT18管的基极和集电极之间,形成负反馈偏置电路,从而使Uce18的值比较稳定。这个偏置电路由VT13A组成的电流源供给恒定的工作电流,VT22管接成共集电极电路。减小对中间级的影响。为了防止输入级信号过大或输出短路而造成的损坏,电路内备有过电流保护元件。当正向输出电流过大,流过VT14和R9的电流增大,将使R9两端的压降增加到足以使VT15管由截止状态进入导通状态,Uce15下降,从而限制VT14的电流。当负向输出电流过大时,流过VT20和R10的电流增加,使R10两端电压增大,使VT21由截止状态进入导通状态,同时VT23和VT24均导通,降低VT16及VT17的基极电压,使vT17的Uc17和VT22的Ue22上升,使vT20趋于截止状态,因而限制了VT20的电流,达到了保护的目的。整个电路要求当输入信号为零时输出也应为零,在电路的输入级中,VT5、VT6管发射极两端还可以接一电位器RP,中间滑动触点接-Uee,从而来改变vT5、vT6的发射极电阻来保证集成运放静态时输出为零的要求。

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  • 本文旨在学习如何快速简单地对运算放大器进行分析;1 运算放大器(OPAMP)2 虚短和虚断3 反向放大器3.1 典型电路3.2 放大倍数3.3 仿真结果4 同向放大器4.1 电源4.2 ...

    本文旨在学习如何快速简单地对运算放大器进行分析;

    • 1 运算放大器(OPAMP)

    • 2 虚短和虚断

    • 3 反向放大器

      • 3.1 典型电路

      • 3.2 放大倍数

      • 3.3 仿真结果

    • 4 同向放大器

      • 4.1 双电源

      • 4.2 双电源同向放大器仿真结果

      • 4.3 单电源

      • 4.4 双电源同向放大器仿真结果

    • 5 总结

    1 运算放大器(OPAMP)

    集成运算放大器有同向输入端和反向输入端,具体如下图所示;

    输出电压 满足关系    ,集成运放最终放大的是差模信号,在没有引入反馈的情况下,电压的放大倍数为差模开环放大倍数,这里记作,因此当运放工作在线性区域的时候,满足

    集成运放的电压传输特性如下图所示;

    • 工作在线性区的时候,则曲线的斜率为电压的放大倍数;

    • 工作在非线性区的时候,即处于饱和状态的情况下,输出电压为

    2 虚短和虚断

    虚短前面提到,集成运算放大器的开环放大倍数很大,一般通用型的运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上,但是运放的输出电压是有限制的,一般10V~14V,然而运放的差模输入电压不足1 mV,因此可以输入两端可以近似等电位,就相当于 短路。  开环电压放大倍数越大,两输入端的电位越接近相等,这种特性称之为虚短

    虚断集成运算放大器具有输入高阻抗的特性,一般同向输入端和反向输入端的输入电阻都在1MΩ以上,所以输入端流入运放的电流往往小于1uA,远小于输入端外电路的电流。所以这里通常可把运放的两输入端视为开路,并且运放的输入电阻越大,同向和反向输入两端越接近开路。在运放处于线性状态时,根据这个特性可以把两输入端视为等效开路,简称虚断

    3 反向放大器

    3.1 典型电路

    3.2 放大倍数

    根据虚短和虚断,可以求出运算放大器的放大倍数:

    • 假设流过电阻的电流为;流过电阻的电流为

    • 假设运算放大器同向输入端电压为,反向输入端电压为

    根据虚短,可以得到:

    根据虚断,可知电阻为串联关系:则满足:

    最终求代数式可以得到:

    3.3 仿真结果

    为 频率50Hz,幅值为 500mV的正弦波,具体设置如下图所示;*[HTML]:

    增益

    所以输入输出关系为:

    仿真结果如下图所示;

    4 同向放大器

    4.1 双电源

    同向放大器同样可以使用虚短虚断去分析;具体电路如下图所示;推导过程:

    • 假设流过电阻的电流为;流过电阻的电流为

    • 假设运算放大器同向输入端电压为,反向输入端电压为

    根据虚短,可以得到:

    根据虚断,可知电阻为串联关系:则满足:

    最终求解得到:

    4.2 双电源同向放大器仿真结果

    为 频率50Hz,幅值为 500mV的正弦波,具体设置如下图所示;

    增益

    所以输入输出关系为:

    仿真结果如下图所示;

    4.3 单电源

    与上面双电源供电不同,如果运算放大器使用单电源,为了输出正常,如果使用单电源供电,非反向放的OP放大器必须与地线关联,如果 是接地,那 输入端需要有的压降,这个可以通过电阻分压得到。单电源的电路如下图所示;这里增加了两个20KΩ的分压,在端增加了2.5V的输入电压。

    4.4 双电源同向放大器仿真结果

    输入与上面的实验相同此处不再赘述;

    增益

    所以输入输出关系为:

    5 总结

    本文分析的运算放大器都是比较常用且简单的类型,当前只给出了如何计算输入和输出的关系,如果作为硬件设计人员,还需要关注更多的细节,更多运算放大器的指标,失调电压,温漂等等,笔者能力有限,无法进行分析,如果单纯作为读懂一般的运算放大电路还是够用的。

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    在实际电路中,寄生电容会与反馈电阻交互,在放大器的回路增益响应中形成不必要的极点和零点。寄生输入和反馈电容的最常见来源包括光电二极管电容(CD)、运算放大器的共模(CCM)和差分输入电容(CDIFF),以及电路板的电容(CPCB)。反馈电阻RF并不理想,并且具有可能高达0.2pF的寄生并联电容。在高速TIA应用中,这些寄生电容相互交互,也与RF交互生成一个不理想的响应。在本篇博文中,我将阐述如何来补偿TIA。

    图1显示了具有寄生输入和反馈电容源的完整TIA电路。

    图1:含寄生电容的TIA电路

    三个关键因素决定TIA的带宽:

    总输入电容(CTOT)。

    由RF设置理想的跨阻增益。

    运算放大器的增益带宽积(GBP):增益带宽越高,产生的闭环跨阻带宽就越高。

    这三个因素相互关联:对特定的运算放大器来说,定位增益将设置最大带宽;反之,定位带宽将设置最大增益。

    无寄生的单极放大器

    这一分析的第一步假定在AOL响应和表1所示的规格中有一个单极的运算放大器。

    DC、AOL(DC)时运算放大器的开环增益

    120dB

    运算放大器GBP

    1GHz

    反馈电阻RF

    159.15kW

    表1:TIA规格

    放大器的闭环稳定性与其相位裕度ΦM有关,相位裕度由定义为AOL× β的环路增益响应来确定,其中β是噪声增益的倒数。图2和图3中分别显示了用来确定运算放大器AOL和噪声增益的TINA-TI™电路。图2配置了一个开环配置的在试设备(DUT),以导出其AOL。图3使用了一个具有理想RF、CF和CTOT的理想运算放大器来得出噪声增益-1/β。图3目前不包括寄生元件CF和CTOT。

    图2:用来确定AOL的DUT配置

    图3:用来确定噪声增益(1/β)的理想放大器配置

    图4所示为环路增益AOL和1/β的模拟幅度和相位。由于1/β为纯阻抗式,其响应在频率中较为平坦。由于该放大器是一个如图3所示的单位增益配置,环路增益是AOL(dB) + β(dB) = AOL(dB)。因此,AOL和环路增益曲线如图4所示彼此交叠。由于这是一个单极系统,因AOL极的存在,fd条件下的总相移为90°。最终ΦM为180°-90°= 90°,并且TIA是绝对稳定的。

    图4:模拟回路增益,理想状态下的AOL和1/β

    输入电容的影响(CTOT)

    让我们来分析一下放大器输入电容对回路增益响应的影响。假设总有效输入电容CTOT为10pF。 CTOT和RF组合将在fz= 1/(2πRFCTOT) = 100kHz的频率条件下在1/β曲线上创建一个零点。图5和图6显示了电路和产生的频率响应。AOL和1/β曲线在10MHz条件下相交 — fz(100kHz)和GBP(1GHz)的几何平均值。1/β曲线中的零点变成β曲线中的极点。所得的环路增益将具有如图6所示的两极响应。

    零点使得1/β的幅度以20dB/decade的速度增大,并在40dB/decade接近率(ROC)条件下与AOL曲线相交,从而形成了潜在的不稳定性。频率为1kHz时,占主导地位的AOL极点在回路增益中出现90°的相移。频率为100kHz时,零频率fz又发生一次90°的相移。最终影响为1MHz。由于回路增益交叉只在10MHz条件下发生,fd和 fz的总相移将为180°,从而得出ΦM= 0°,并指示TIA电路是不稳定的。

    图5:含10pF输入电容的模拟电路

    图6:含输入电容影响时的模拟回路增益AOL和(1/β)

    反馈电容的影响(CF)

    为恢复因fz造成的失相,通过增加与RF并联的电容CF,将极点fp1插入1/β响应。fp1处于1/(2πRFCF)。为了得到最大平坦度的闭环巴特沃斯响应(ΦM= 64°),使用等式1计算CF:

    其中,f-3dB是在等式2中所示的闭环带宽:

    计算得出CF= 0.14pF,f-3dB = 10MHz。fz处于≈7MHz的位置。反馈电容器包括来自印刷电路板和RF的寄生电容。为了最大限度地减少CPCB,移除放大器的反相输入和输出引脚之间的反馈跟踪下方的接地和电源层。使用诸如0201和0402的小型电阻器,降低由反馈元件产生的寄生电容。图7和图8显示了电路和产生的频率响应。

    图7:包括一个14pF反馈电容的模拟电路

    图8:包括输入和反馈电容影响时的模拟环路增益AOL和1/β

    表2使用波特曲线理论汇总了回路增益响应中的拐点。

    原因

    幅度影响

    相位影响

    AOL主极点,fd= 1kHz

    从1kHz开始,幅度以-20dB/dec的速率下降

    频率为100Hz-10kHz时,相位从180°开始以-45°/dec的速率下降

    fz= 100kHz 时1/β零位

    在fd的影响下,从100kHz开始,幅度以-40dB/dec的速率下降

    频率为10kHz-1MHz时,相位从90°开始以-45°/dec的速率下降

    fp1= 7MHz时1/β极点

    在前两种影响下,回路增益幅度的斜率从-40ddB/dec降至-20dB/dec

    从700kHz开始,相位以45°/dec的速率增大,并开始恢复。其影响将一直持续增大到700MHz。

    表2:极点和零点对回路增益幅度和相位的影响

    设计TIA时,客户必须了解光电二极管的电容,因为该电容通常由应用确定。考虑到光电二极管的电容,下一步是选择适合应用的正确放大器。

    选择适合的放大器需要理解放大器的GBP、期望的跨阻增益和闭环带宽,以及输入电容和反馈电容之间的关系。

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