《你好，放大器》----学习记录(三)

布满荆棘的人生 2023-09-26 11:49 86阅读 0赞

## 3 多种多样的运算放大器 ##

ADI把放大器分为精密和高速两大类

### 3.1 精密运放和高速运放 ###

#### 3.1.1 精密运放概述 ####

一般来讲，`带宽小于 50MHz 的`，能够具有某些特殊指标优异性的运放，都属于精密运放

**OP07**

*  具有`极小的失调电压`，30μV 典型值，75μV 最大值，且只有 0.3μV/℃的温漂，0.3μV/month 的时漂，稳定性非常优秀
 *  具有 114dB 的开环增益和 123dB 的共模抑制比，偏置电流只有 1.2nA
 *  噪声指标也属优秀，只有 10nV/√Hz
 *  具备`很高的工作电压范围`，一般可达 36V，极限可达 44V
 *  价格低廉
 *  `带宽较低`，只有 600kHz 左右

**低失调电压运放**

一般指失调电压小于15μV，ADI运放数据表：

![在这里插入图片描述][183f89c7412b4d548ca8c3115c335e55.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**低噪声运放**

ADI运放数据表，看起来IB都比较大：

![在这里插入图片描述][7664bc9aa33c45aa89cf105d2a011dac.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**低供电电压运放**

以最小供电电压排序，ADI运放数据表：

![在这里插入图片描述][e3b6ae4aadef4f95831ac80c262e9cbe.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**低偏置电流运放**

在微弱电流检测中，低偏置电流很重要，ADI运放数据表：

![在这里插入图片描述][cfc653a24e9d42ea83e43a66be2cf15a.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**低功耗运放**

一般来说，低功耗运放的频带都较窄，ADI运放数据表：

![在这里插入图片描述][92f4f48e185a4012abe63f739ef59498.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

**低价格运放**

ADI运放数据表：

![在这里插入图片描述][38dae0e11cda4c1bbc913219eb99e834.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

#### 3.1.2 高速运放 ####

以带宽排序，ADI高速运放如下：

![在这里插入图片描述][398f0927aaf74b20a5de67cf8ef94b68.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][5b968b23c45a4596971edf5526c00ad3.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][6dacd4d66ebb424ba4801c691f75698a.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][0163b5f9abe5458994ed3d40486c8ae0.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

### 3.2 电流反馈型运算放大器(CFA) ###

`电流反馈型运算放大器(Current Feedback Amplifier-CFA)`，仍是运放的一种，只是其内部结构完全不同于电压反馈型(VFA,也就是传统的)，导致其外部特性有所不同

#### 3.2.1 电流反馈型放大器的内核 ####

电流反馈型运算放大器内部结构如图所示，`正输入端是高阻输入的，等效于一个 1 倍增益的跟随器，跟随器输出和负输入端之间有一个小阻抗 ZB(一般为几十欧姆)`。使得 CFA 的入端压差演变成入端电流 i，CFA 以此电流作为控制源，镜像出以 GND 为基准的另一个电流 i。此电流在内部流经一个很大的阻抗 Z，又一次形成了电压 iZ，带一个很小的输出阻抗 ZO到输出端。`CFA 与 VFA 最大的区别在于负输入端，CFA 的负输入端是低阻的`

![在这里插入图片描述][a512a5b00ac24e6b9f8490fb1ba36645.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

#### 3.2.2 基本分析方法 ####

电流反馈型运算放大器组成的同相放大器，如图所示：

![在这里插入图片描述][9bfde7d449794c41bdab1fe41c9ce56f.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

设负端对地电位为uA，假设输出阻抗Zo = 0，下式成立：

![在这里插入图片描述][7257925278de4e7e960f9e52a52ee868.png_pic_center]

uo = iZ，得：

![在这里插入图片描述][39091b7e2098444b9665ff539d13ae33.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][b28860a8f1484a6388bdf9f014ac0c6c.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][bda9167e71fb4f4fb223e0e5fe1bf873.png_pic_center]

电流反馈放大器的主要放大能力来自于非常大的 Z，使得后一项分母近似为 1，则：

![在这里插入图片描述][f901f31ccfcb45eeb430a4a9d4b381a6.png_pic_center]

类似的分析可以得出，对反相输入放大器来说，其电压增益为：

![在这里插入图片描述][b8ff8a985f85481d86da06bea03eecc8.png_pic_center]

#### 3.2.3 CFA和VFA传函对比 ####

CFA 内部影响频率特性的主要因素是 Z，极大的 Z 必然存在并联的杂散电容 C，因此：

![在这里插入图片描述][e2d118944f9e49faa9daeefecec80c1f.png_pic_center]

推导步骤省略，电流反馈放大器的传函为：

![在这里插入图片描述][66474b5398f5464598f78ee86a0e9a8e.png_pic_center]

电压反馈型运算放大器组成的同相放大器 ，如图所示：

![在这里插入图片描述][57e4cd72256e472cb584f24ef497ec8b.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

电压反馈型运算放大器的传函为：

![在这里插入图片描述][75d2b2151b1d425f9288aedb4a26017e.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

#### 3.2.4 优缺点总结 ####

\*\*电流反馈运放与电压反馈运放的主要应用区别为： \*\*

*  电流反馈运放一般具有`更高的压摆率`，可以达到 5000V/μs 以上，在大幅度输出，提高满功率带宽上有明显的优势
 *  电流反馈运放不具有增益带宽积固定的限制。对于电压反馈型运放来说，当增益提高 10倍，粗略分析其带宽应下降到 1/10。但对于电流反馈型运放，当闭环增益变大时，其闭环带宽并`不随之成比例下降`。因此，`电流反馈运放更适合于实现单级较高增益的放大电路`
 *  电流反馈运放一般都`具有较低的噪声、较高的失调电压和偏置电流`
 *  对电流反馈运放的使用有一定的限制。当要用它作为电压跟随器时，`必须用电阻串联到反馈回路中`。另外，电流反馈放大电路的反馈电阻需要缜密选择，不同增益下应具有不同的反馈电阻，多数的器件 Datasheet 中对此都有说明
 *  电流反馈运放主要用于`高速、需要较高压摆率、单级电压增益较大`的场合

#### 3.2.5 ADI的电流反馈型放大器 ####

按照压摆率排序，如下：

![在这里插入图片描述][cdeca831ab874f0884c8df958092fa4f.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

### 3.3 全差分运算放大器 ###

全差分运算放大器，`三个输入端两个输出端的运算放大器`，与标准运放一样，也需要外部电阻配合形成负反馈才能实现放大功能

#### 3.3.1 全差分运算放大器概述 ####

全差分运放具有两个输入端 VP和 VN，两个输出端 VOUT+和 VOUT-，一个控制输出共模的输入端 VOCM，以及两个电源端。全差分运放具有特殊的内部结构，正常工作情况下具有如下特性：

*  两个输出端的平均值`始终等于VOCM`
 *  全差分放大器对两个输入端之间的差值进行开环高增益放大，放大后的结果表现在`两个输出端的差值上`
 *  两个输入端流入电流`始终为 0`，即虚断

**优点：**

*  可以实现差分信号传递，进而`抵抗外部共模干扰`
 *  在相同电源电压下，能够提供`2 倍的信号动态范围`
 *  能够有效降低信号传递中的偶次谐波，`减少失真`

#### 3.3.2 常见电路分析方法 ####

**单端输入转差分输出**

如果ADC是差分输入型的，而原始信号是单端输出的，则多数情况下需要如下“单端转差分电路”：

![在这里插入图片描述][a82a4440aeda44c4884386da5b60e131.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

分析上图电路，定义两个比值：

![在这里插入图片描述][4f3d7da42332479791d22c71dcad7a58.png_pic_center]

根据虚短，引入一个未知量：

![在这里插入图片描述][c61325d30da9463cb36e227433e4fc8a.png_pic_center]

根据全差分运放性质，约束两个输出：

![在这里插入图片描述][47f4dbceca6d4269b30b23337a9eec64.png_pic_center]

根据虚断，流过两个电阻上的电流相等：

![在这里插入图片描述][040f12016d6b4a2882dabc8b46eda699.png_pic_center]

列出三个独立方程，解出：

![在这里插入图片描述][0b533cb62e9f424fb043ca2bdd83acc8.png_pic_center]

为了让电路更加对称，一般：

![在这里插入图片描述][df008b08f5844b2f88be907b044d0d80.png_pic_center]

结果变得简单：

![在这里插入图片描述][70f65c3a27ef4e8cafdfa24f24ea1e94.png_pic_center]

**含阻抗匹配的单端输入转差分输出**

`高频放大电路中，特别讲究阻抗匹配`。阻抗匹配中要求信号路径上不发生电阻突变，也不存在电阻不等，而传输线等效阻抗一般为 50Ω 或者 75Ω，夹在前级输出和后级输入之间。所以，多数情况下，信号源或者前级放大电路的输出阻抗一般选为 50Ω，以便与传输线等电阻，而后级放大电路的输入阻抗也必须是 50Ω，以与传输线匹配

高频时单端输入转差分输出，左图为实际电路，右图为等效电路：

![在这里插入图片描述][806ffe4d2bf04e23bd11511deebb8598.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

上图的左图，已知输入为单端信号ui，具有50Ω输出阻抗，要求将其变为差分输出信号，增益为G倍，即uout+ - uout- = Gui，且输出对称，满足入端阻抗匹配。Rx、Ry、Ra、Rb为待求电阻

为满足入端阻抗匹配，uy处信号大小应为0.5ui。图中左电路化简为右电路，设临时系数k

![在这里插入图片描述][e6d05d19def747a59e4e8fd7be16eea5.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][fc2785f80f5c407f8487ed9b5a1a7f1f.png_pic_center]

解得：

![在这里插入图片描述][12385edf1b9f4b339a23b74f918bfb8f.png_pic_center]

根据输入阻抗定义，可得uy点信号为0.5ui

![在这里插入图片描述][b75349d394ec4046aabbd99c11337ea0.png_pic_center]

R3 = 50k代入上式：

![在这里插入图片描述][d5d82d17dcdd4cc28e5facdaad51a142.png_pic_center]

设Ra = x，整理得：

![在这里插入图片描述][52eb3b652c3946158be3f59e874ef2e7.png_pic_center]

由此解得：

![在这里插入图片描述][fa7812ab8def4fdb8276aa092f20ee54.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][67e79edcfe1c40d5ac47b449b322bcd8.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][1f0ae24ca0e54ba2b89f8478cece7130.png_pic_center]

**全差分运放的其他电路形式**

全差分运放更多用于`ADC 驱动电路、单端差分转换`等。全差分信号放大(差分进，差分出)，如图所示，全差分放大器可以多级级联，始终保持差分信号传递。在低频信号链中，无需考虑信号端接中的线缆阻抗匹配，设计相对简单。各级输出阻抗均为 0，可以直接耦合

![在这里插入图片描述][fe0b4a7d6c954f02b83633f9e895569c.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

高频全差分信号传递中，一旦信号线过长或者使用传输线缆，则一定`需要考虑阻抗匹配以保持尽量小的反射`，电路图如下：

![在这里插入图片描述][915161e0caef4ca3ad0e282fb5e02aa4.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

全差分仪表放大器与传统仪表放大器的唯一区别是，`前者的输出是差分的，而后者是单端输出`。如图所示，增益计算非常简单，两个部分相乘。前部为标准运放部分的，后部为全差分放大器的

![在这里插入图片描述][da2060c4fbd2478ba308307bfb79227a.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

#### 3.3.3 ADI的全差分放大器 ####

ADI的全差分放大器：

![在这里插入图片描述][6e52a1a7a90a4794afca5972ec523286.png_pic_center]  
`图片来源于《你好，放大器》`

其中，标 C 是指标准结构，电流反馈型。标 V 是指标准结构，电压反馈型。固定多少倍，是指 ADI 生产的产品内部嵌了电阻，只能实现指定的倍数，而内 6 电阻是每个放大器都嵌了 6 个电阻，可以实现 3 种放大倍数

**`致谢杨建国老师著作《你好，放大器》`**  
![在这里插入图片描述][2221cf6d0ebb49168b0f44bc77b58d52.png_pic_center]

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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