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《你好,放大器》----学习记录(三)

《你好,放大器》----学习记录(三)

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:

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低噪声运放

ADI运放数据表,看起来IB都比较大:

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低供电电压运放

以最小供电电压排序,ADI运放数据表:

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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:

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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:

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低价格运放

ADI运放数据表:

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3.1.2 高速运放

以带宽排序,ADI高速运放如下:

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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

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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:

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设负端对地电位为uA,假设输出阻抗Zo = 0,下式成立:

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uo = iZ,得:

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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:

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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:

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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:

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推导步骤省略,电流反馈放大器的传函为:

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电压反馈型运算放大器组成的同相放大器 ,如图所示:

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电压反馈型运算放大器的传函为:

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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:

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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”:

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分析上图电路,定义两个比值:

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根据虚短,引入一个未知量:

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根据全差分运放性质,约束两个输出:

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根据虚断,流过两个电阻上的电流相等:

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列出三个独立方程,解出:

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为了让电路更加对称,一般:

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结果变得简单:

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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:

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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

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解得:

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根据输入阻抗定义,可得uy点信号为0.5ui

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R3 = 50k代入上式:

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设Ra = x,整理得:

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由此解得:

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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

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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:

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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

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3.3.3 ADI的全差分放大器

ADI的全差分放大器:

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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》
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希望本文对大家有帮助,上文若有不妥之处,欢迎指正

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