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思金
5 years ago
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1 集成运放与调理电路分析上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系罗利文

2 1. 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 : 1. 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 2. 共模抑制 : 抑制差分输入信号中的共模电压分量 3. 阻抗转换 : 将高阻信号源转变为低内阻的信号输出 4. 电气隔离 : 光电隔离和变压器隔离的集成运放

3 易混淆的几个术语集成运放和集成运放电路集成运放输入阻抗和集成运放电路的输入阻抗差分电压 = 差模电压 + 共模电压

4 集成运算放大器详解理想集成运放都一样实际的集成运放产品都不是理想的集成运放实际应用需视具体需求来正确选择必须理解主要的技术参数

5 某半导体公司的运算放大器产品目录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) 种类繁多如何选择? 理解重要的技术参数是关键.

6 2. 对通用集成运算放大器的再认识通用型运放的品种规格型号很多, 各公司生产的型号有别, 常用的有 :μa741 LM324 LM358 OP07 OP117 TL082/084 等图 4-1 μa741 的引脚功能及典型接法

7 图 4-2 LM124/224/324 集成运放 a) 引脚功能 b) 基准电压源应用 c) 斯密特触发电器

8 单运放 LM324 的原理图

9 通用运放电路的结构特点差分输入放大电路理想的差分电路应该完全平衡, 元件参数严格匹配实际很难完全平衡, 出现失调电压和失调电流. 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 V ces (Rail to Rail 除外 ) 最高输出正电压 =V + -V ces 最低输出负电压 =V - +V ces C1(30pF) 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

10 差分放大电路的瑕疵输入失调 1. 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 2. 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)

11 输入失调性能指标 1. 输入失调电压 Input Offset Voltage U OS 在集成运放的两个输入端之间加上一个直流偏置电压, 通过调整这个电压使得运放的输出为零, 这个直流偏置电压就被称为输入失调电压, 该电压反应了内部差分电路参数的不对称或不平衡程度 Q: 集成放大电路的输入阻抗失配会导致输入失调吗? 2. 输入失调电流 input offset current I OS 输入信号为零时, 放大器两个输入端偏置电流之差即为输入失调电流 3. 输入失调电压温漂 du OS /dt 在规定的环境温度范围内, 单位温度变化所引起的输入失调电压的变化量即为输入失调电压温漂 4. 输入失调电流温漂 di OS /dt

12 运放性能指标 - 增益 1. 差模电压增益 -A 0d 放大器在开环时输出直流电压增量与输入直流差模电压增量之比, 通常以 db 表示 :A 0 =20lg U o / U I (db) 理想情况 A o 为无穷大 ; 实际情况 A o 为 100 ~ 140 db 2. 共模抑制比 -CMRR 运算放大器的差模电压增益与共模电压增益之比, 即为共模抑制比 CMRR 一般用 db 来表示 CMRR=20lgU od /U oc (db) U oc : 输出差分电压 U od : 输出共模电压 CMRR 是从运放对共模输入信号和差模输入信号的区别性放大的角度来说明输入失调的程度理想的运放的 CMRR 是无穷大的当然, 实际运放由于或多或少存在输入失调的问题,CMRR 不可能无穷大, 一般在 80dB-140dB

13 集成运放的动态特性理想集成运放应该对任何频率的输入信号具有完全一致的放大特性实际集成运放电路由于内部分布电容布线电感的存在, 当输入信号频率很高时, 这些分布电容和电感将不能忽略, 从而影响了信号的线性放大主要参数单位增益带宽电压摆率 (slew rate) 等

14 集成运放的频率响应指标 1. -3dB 带宽和单位增益带宽 -3dB 带宽是指集成运放在小电压信号输入条件下开环增益从直流增益下降到 -3dB( 电压放大倍数为 0.707) 时所对应的频率范围电压增益越高, 则带宽范围越小, 不同电压增益下该增益与带宽的乘积为一个常数, 称为增益带宽积 (Gain Bandwidth Product ), 它实际上就等于单位增益下的带宽, 如 AD620 的单位增益带宽为 1000kHz 应该注意的是, 当输入信号频率超过 -3dB 带宽后, 增益带宽积将不再等于单位增益带宽, 并越来越小

15 集成运放的动态响应指标 2. 电压摆率 SR(V/us): 运算放大器在额定负载条件下, 输入一个大幅度的阶跃信号时, 输出电压的最大变化速率 (Slew Rate) 该指标以阶跃响应的上升速率来反映放大电路响应快速变化信号的能力例如 OP07 的电压摆率为 0.3V/μs 而 OPA637 的 SR=135 V/μs, 明显比 OP07 快在实际工作中, 输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值, 否则输出电压会因集成运放来不及响应而产生畸变你可能误解高速运放高速运放实质上是指高 SR 值用途是信号整形如过零比较, 脉冲信号放大, 延时小 ;

16 集成运放的输入输出摆幅 V+ UP RAIL Vin Vout V- 一般集成运放的输入输出电压摆幅 V+ Vin Vout V- 输入电压摆幅 Rail to Rail V+ DOWN RAIL UP RAIL DOWN RAIL UP RAIL 限制电压摆幅接近电源电压的是晶体管的管压降 Vce 运放工作在线性放大状态, Vce 不可能达到饱和导通状态时的压降水平, 一般要 1.0V 以上在采用 0-3.3V 电源的系统中, 要特别注意运放的输出电压摆幅常规运放的输出电压范围约在 1.0V 到 2.3V 之间, 而 ADC 的输入电压范围为 0-3V, 相当于 ADC 的有效转换位数降低了一位 Vin Vout V- 输出电压摆幅 Rail to Rail DOWN RAIL

17 输出特性电流 1. 输出电流的大小 : 除非特别申明具有大电流输出特性, 一般运放的输出电流的极限在 10-20mA, 但长期工作的输出电流则在几个 ma 2. 集成运放的输出电流的流向灌电流 (source current): 电流由集成运放通过输出管脚流向外部电路拉电流 (sink current): 电流由集成运放由外部电路流入输出管脚

18 3. 高精度通用集成运放最典型的是 OP07,OP117, 输入失调电压, 从 741 的 1mV 减小到 10uV, 非常可观! 图 6-10 ADOP07 集成运放 a) 引脚功能 b) 典型接法

19 高精度运放的实质 - 低失调提高运放精度的手段 : 原理不变, 改进 IC 生产工艺, 使差分电路更趋平衡 ; 如 :ua741-lm324-op07 分别是各自时期的典型代表, 输入失调都有不同程度的改进. 辅以外部调零, 尽可能克服输入失调外设调零电位器, 补偿输入差分电路的不平衡缺点 : 静态调零, 无法解决失调的温漂改进原理, 采用动态调整失调技术斩波 - 稳零 (chopper-stablizer) 运放, 见下页.

20 斩波稳零运放特点 : 动态补偿输入失调, 例如 ICL7650 图 6-11 ICL7650 集成运放 a) 引脚功能 b) 典型接法

21 ICL7650 工作原理 1 工作过程分两个阶段开关 A 和 B 导通,/A 和 C 断开, NULL 运放检测自己的失调电压, 调节 C EXTA 的补偿电压. 开关 A 和 B 断开,/A 和 C 断开, NULL 运放检测 MAIN 运放的失调电压, 调节 C EXTB 的补偿电压. 2. 调节过程损失响应速度, 适合直流和低频信号的放大

22 典型通用运放主要指标对比输入失调电压 Input offset voltage 输入失调电流 Input offset current 输入偏置电流 Input bias current ua741/lm324 OP-07 ICL7650 LF347 AD521 5mV 30-85uV 1-5uV 3mV 3mV 2nA 0.8nA 0.5pA 20nA 20nA 2nA 2-10pA 1pA 80nA 输入电阻 1-10M 31M 10 6 M 10 6 M 10 3 M 差模增益 100dB 104dB 134dB 100dB 100dB 共模抑制比 CMRR 90dB 110dB 130dB 100dB 100dB

23 通用集成运放电路的局限反相和同相放大电路 : 输入电压信号必须是单端信号 ( single-ended), 不能差分输入集成运放本身的输入电阻很高 ( 通常在 10 9 以上 ), 但与外部电阻构成放大电路后, 该电路的输入电阻需具体分析 Null Offset 调零 : 用于调节输入失调即当输入 Vi 为零而输出不为零时, 通过调节该可调电阻, 使输出为零这是一种静态调零, 动态漂移无法调节

24 用通用运放构成差分放大电路改进 : 可以放大差分信号中的 V id ( 差模信号 ), 并输出单端信号 ( 容易与后续电路搭配 ). 不足 : 输入阻抗 (R1+Rf) 低, 要求信号源内阻远小于 (R1+Rf), 不是任何时候都能满足. 理解差模信号 V id 和共模信号 V ic 和公共端. R f V id V ic R 1 R 1 Rf _ V+ A + V- Vout 公共端 V out /V id = -R f /R 1

25 共模信号与共模抑制常见的共模信号电桥电路的输出采样电流的电阻位于高端 (high side) 三相电气设备 ( 如电机 ) 的供电回路中逆变电路 H 桥高端多点接地时出现不同地电位信号输入回路与外电场发生静电耦合

26 电桥输出含共模 U Z 0 Z 0 b a V a =0.5U+U*DZ/2Z0 Z 0 -DZ Z 0 +DZ DV ab =U*DZ/Z0 V CM =0.5U

27 高端电流采样电阻两端的电压含高共模信号

28 不同地电位造成的共模信号多点接地的地电位差引起的共模分量 U G

29 电容耦合造成共模信号静电场耦合引起共模电压

30 高共模的危害 - 阻塞 E D 图 AD623 共模输入会限制差模输出电压范围可能的最大输出电压 (V) F C 纵坐标表示的是针对差模输入分量进行放大后可能的最大输出显然, 使用集成仪表放大器时, 应当将共模输入分量限制在图中的 AB 或 ED 边线所对应当的范围以内 A B 共模输入电压 (V) 共模六边形上点 F 和 C 点就是所对应的横坐标就是共模阻塞电压此时, 差模输入无论多大, 都不会在输出中得到反映因为此时输入级晶体管已经处于饱和导通或截止状态

31 共模信号作用于输入失调的外部阻抗 V cc Z A Z B DV AB A B K ± U CM =U/2 Z AE Z BE 如果外部阻抗不平衡, 虽然只有共模输入, 但 DV AB 可能不为零, 电路的输出也不等于零

32 4 高输入阻抗集成运放该类运放的输入阻抗一般为 10 7 ~10 12 MΩ 通常采用结型场效应管构成差分输入级, 以提高输入阻抗, 且兼有高速宽带, 低失调电流低谐波失真及低噪声等特点广泛用于高速积分快速 D/A 采样 / 保持电路及一般放大器中常用的高输入阻抗运放有 :LF347 LF356 CA3140 DG3140 等许多型号, 各公司产品的型号也不一样图 6-13 LF347 的引脚功能

33 5 仪表放大器仪表放大器 : 仪表放大器本身就是闭环的放大电路, 有很高的输入阻抗, 可以对差分信号的进行放大, 并转化为单端对地信号, 习惯上称这种放大器为测量放大器选好用好集成仪表放大器和集成差分放大器, 需要理解最基本的三运放仪表放大器

34 图 6-15 AD521 测成测量放大器 a) 引脚功能 b) 基本接法

35 该电路分为两级 : 三运放仪表放大电路第一级 : 由 A1 和 A2 构成高阻抗的差分电压放大器, 作用是抑制共模和阻抗转化该级可以看成两个同相放大器 ( 分别由 A1 0.5R G R 1 和 A2 0.5R G R 1 组成 ), 电压放大倍数为 (1+R 1 /0.5R G ), 且 A1 和 A2 的输出电阻非常低本级电路的另一个作用就是抑制共模分量, 必须强调, 图中的基本仪表放大电路的共模输入分量的范围是不能超过共模六边形的阻塞电压第二级 : 由 A3 与四个电阻构成一个差分电压放大器, 其输出信号 Output 是相对 Reference 端的单端信号, 本级的电压放大倍数为 R3/R2

36 三运放仪表放大电路详解, 由虚短可知,V m =V in1,v n =V in2 则 R G 中点的电位为 V ic V V V A A B V R 1 V R 1 V B m n Vm V 0.5R Vn V 0.5R G C G C R 1 0.5R ( 1 G )( V m V n ) V 根据运放虚短原则有 V C =V D 则 : 上面两式相减可得 : out V A V R B V REF V 2 R 3 2R R ) V 或 1 3 ( 1 ) ( VIN 1 VIN 2 RG R2 V out K * V V IN V REF REF OUT V A V R D V D V 2 R 3 out V B V R V V 2 R 3 REF 结论 : 1. 差分输入, 单端输出 2. 差分放大倍数为 K V 3. 输出被向上平移了 V REF 对交流电气量的数字化测量非常重要 C C

37 Reference 端的使用 Reference 在一般的应用中接电源地, 但当后级为单级性的 A/D 转换器时,Reference 端接 A/D 转换器的参考电压, 可以给输出电压加上一个恒定的偏置电压, 从而允许放大电路的输入 V IN 为双极性的信号, 这大大简化了交流电气量的 A/D 转换前级的放大电路的设计举例说明 : 设 V IN =Sin314t(V),A/D 输入电压范围为 0-3V, 利用图 4-4 所示电路作为 ADC 的前级调理电路, 则 V REF 应接在 0-3V 的中点即 1.5V 的参考电压上 ( 利用 ADC 的参考电压或外部专门的参考电压源 ), 同时把 V IN 放大 1.5 倍, 这样就可充分利用 ADC 的输入电压范围来转换输入交流电压 (-1V +1V)

38 ADI 的 AD62x 系列通用集成仪表放大器因其性价比较高, 应用广泛右图是 AD623 的内部原理图其基本电路还是三运放构成的仪表放大器, 主要不同点在于输入 PNP 管 (Q1 Q2) 可以将输入共模电压电平上移从而可以允许低于负电源电压 0.2V 的电压输入其次, 输入端的两个嵌位二极管可以提供输入过压保护电压增益 Gain=1+100k/R G 典型集成仪表放大器 :AD62X 系列

39 典型集成仪表放大器 :AD62X 系列通用仪表放大器 AD623 用来放大直流电阻电桥的输出图中差模电压一般在 mv 级, 而两个输入端输入的同极性同幅值的共模电压分量约为 2.5V( 电桥的直流偏压 ) 抑制电源电压范围内的共模分量是使用仪表放大器的主要原因

40 仪表放大器的 Data Guard 输出 Data Guard 对抗输入信号电缆的电容与外电场的不平衡耦合.

41 集成差分放大器 AD8200 系列集成仪表放大器的共模抑制比 CMRR 虽高, 但允许输入的共模电压范围有限在有些应用中, 前置放大器的共模输入电压范围远远超出电源电压范围, 集成差分放大器在集成仪表放大器的前级增加一个专门抑制高共模输入的差分放大级 ADI 的 AD8200 系列在单 +5V 供电时允许的共模电压范围为 -8V~+28V, 其内部结构如图 4-8 所示,A2 为 AD623 类似的仪表运放, 增加的 A1 与两侧的分压电阻配合, 可以扩展输入共模电压的范围

42 集成差分放大器 AD8210 系列图 4-9 是用分流电阻测量电流的例子由于分流电阻与 H 桥驱动的负载电机串联, 共模电压主要取决于直流母线的电压水平如果直流母线的电压高于 28V, 通用型仪表放大器和 AD8200 系列的共模输入电压范围将不再满足要求 ADI 的 AD8210 系列集成差分放大器内部用两个可以耐受高共模输入电压的三级管代替 AD8202 内部的分压电阻 R B, 从而使允许输入的共模输入电压范围扩展到 -5 V~68V 此外, AD8210 提供了 20 倍的固定电压增益

43 浮地输入信号源的静态偏置电流路径集成仪表放大器的静态工作点对应的直流静态偏置电流经过能流通到电路公共端的直流路径对于像右图所示的热电偶输出的热电势经变压器耦合的交流输入电压信号经电容耦合的交流输入电压信号等, 这些输入电压信号源的一个共同特征是它们都是浮地的, 集成仪表运放的输入端到地没有直流路径, 所以必须增加到地的直流路径, 以便输入级电路的直流偏置电流能流通

44 6 程控增益放大器在数字化测量技术中, 可利用数字编码控制电子开关来选择放大器的反馈电阻实现不同的增益变换在带微计算机或微处理的测控系统中, 采用软件控制电子开关来选择放大器的增益具有这种功能的放大器称为程控增益放大器图 6-17 为利用改变反馈电阻实现的程控增益放大器图 6-17 程控增益放大器原理

45 常用集成程控增益放大器图 6-18 AD524 程控增运放引脚功能图 6-19 PGA100 引脚功能

46 7 集成隔离放大器在电气测量中, 测量电路总是作为控制系统的输入环节为了保护整个控制系统不受一次高电压大电流回路的冲击, 常常要求一次主回路和二次控制系统电气隔离隔离放大器就是为了实现这种需要而设计的为了提高微弱电信号 ( 电压或电流 ) 和低频信号的测量精度, 减小漂移, 常采用调制一解调式放大器实现方法上, 直流电源首先经振荡器变成交变信号, 通过变压器或光耦合器耦合到输入回路 ; 然后再整流和滤波稳压作为输入回路和输出回路的直流电源 ; 输入回路的调制开关信号和输出回路的解调开关信号也通过变压器或光耦合器耦合过来 ; 输入回路和输出回路之间的信号联系也用变压器或光耦合器来实现

47 AD202/204 AD284 AD289 BGF01 等集成隔离运放的特点是三端口隔离, 能抗高的共模电压 ( 1500V), 高共模抑制比, 高输入阻抗, 高精度, 低漂移和低噪声等, 广泛用于数字采集系统医疗仪器计算机及其他电子设备提供隔离保护隔离放大器 AD202 内部结构图典型集成隔离放大器产品

48 用 AD204 隔离测量 200V 直流母线供电的逆变输出电流 5m 的电流取样电阻输出的差分信号送到隔离放大器 AD204 的一次侧输入, 通过内部变压器的隔离, 放大后的信号可以与数据采集系统的 A/D 转换器直接相连

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路