放大器

常见放大器

1、 差动放大器

  • 差动放大器(differential amplifier) 将两个对称放大器件接在一起,理想情况下,输出信号u0只与一对输入信号uI1、uI2的差值有关的放大单元,又称差动放大器。

2、 仪表放大器

  • 这是一个特殊的差动放大器,具有超高输入阻抗,极其良好的CMRR,低输入偏移,低输出阻抗,能放大那些在共模电压下的信号。

3、 精密运放

  • 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。所谓的指标优异, 不能听生产厂家的自封。ADI标准是产品的前 10%左右。比如 ADI公司生产的标准运放大约有 300 多种,在某项指标排名中名列前 30 位的,一般属于性能优异。

放大器指标

1、输入失调电压(Offset Voltage,VOS)

  • 定义:失调电压,又称输入失调电压,Input Offset Voltage, 记为U1,一个理想的运放,当输入电压为0时,输出电压也应为0。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称。通常在输入电压为0时,存在一定的输出电压。
  • 低失调电压运放:一般指失调电压小于 15μV 的。
    -运放低失调电压的根源,一方面来自集成电路生产工艺、电路结构,更为重要的来自于 ADI 公司的各种专利技术。这种技术可以保证运放的失调电压低至 0.3μV,而失调电压温漂小至 2nV/℃。

2、失调电压漂移(Offset Voltage Drift,ΔVOS/ΔT)

  • 定义:当温度变化、时间持续、供电电压等自变量变化时, 输入失调电压会发生变化。输入失调电压随自变量变化的比值,称为失调电压漂移。

3、输入偏置电流(Input bias current,IB)

  • 定义:运放的输入为规定电位时,流入两个输入端的电流平均值。

4、输入失调电流(Input offset current,IOS)

  • 定义:当输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的差值。

5、输入电压范围(Input Voltage Range)

  • 定义:保证运算放大器正常工作的最大输入电压范围。也称为共模输入电压范围。
  • 优劣评定:一般运放的输入电压范围比电源电压范围窄 1V 到几 V,比如±15V 供电,输入电压范围在-12V~13V。较好的运放输入电压范围和电源电压范围相同,甚至超出范围 0.1V。比如±15V 供电,输入范围在-15.1V 到 15.0V,这会使得放大器设计具有更大的输入动态范围,提高电路的适应性。
  • 轨到轨运放:当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时,比如相差 0.1V 甚至相等、超过,都可以叫“输入轨至轨”,表示为 Rail-to-rail input,或 RRI。运放的两个输入端,任何一个的输入电压超过此范围,都将引起运放的失效。
  • 注意,超出此范围并不代表运放会被烧毁,但绝对参数中出现的此值是坚决不能超过的。

6、输出电压范围(VOH/VOL 或者 Swing from rail)

  • 定义:在给定电源电压和负载情况下,输出能够达到的最大电压范围。或者给出正向最大电压 VOH 以及负向最小电压 VOL相对于给定的电源电压和负载;或者给出与电源轨( rail)的差距。
  • 优劣评定:一般运放的输出电压范围要比电源电压范围略窄 1V 到几 V。较好的运放输出电压范围可以与电源电压范围非常接近,比如几十 mV 的差异,这被称为“输出至轨电压”。这在低电压供电场合非常有用。当厂家觉得这个运放的输出范围已经接近于电源电压范围时,就自称“输出轨至轨”,表示为 Rail-to-rail output,或 RRO。
  • 轨到轨运放:当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时,比如相差 0.1V 甚至相等、超过,都可以叫“输入轨至轨”,表示为 Rail-to-rail input,或 RRI。运放的两个输入端,任何一个的输入电压超过此范围,都将引起运放的失效。
  • 理解,在没有额外的储能元件情况下,运放的输出电压不可能超过电源电压范围,随着负载的加重,输出最大值与电源电压的差异会越大。这需要看数据手册中的附图。
  • 输出电压范围,或者输出至轨电压有如下特点:
  • 1 正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致,但一般情况下数量级相同;
  • 2 至轨电压与负载密切相关,负载越重(阻抗小) 至轨电压越大;
  • 3 至轨电压与信号频率相关,频率越高,至轨电压越大,甚至会突然大幅度下降;
  • 4 至轨电压在 20mV 以内,属于非常优秀。

7、共模抑制比(Common-mode rejection ratio,CMRR)

  • 定义:差模电压增益与共模电压增益的比值,用 dB 表示。影响电路共模抑制比的因素有两个,第一是运放本身的共模抑制比,第二是对称电路中各个电阻的一致性。其实更多情况下,实现这类电路的高共模抑制比,关键在于外部电阻的一致性。此时,分立元件实现的电路,很难达到较高的 CMRR,运放生产厂家提供的差动放大器就显现出了优势。

8、开环电压增益(Open-loop gain,AVO)

  • 定义:运放本身具备的输出电压与两个输入端差压的比值,用 dB 表示。优劣范围:一般在 60dB~160dB 之间。越大的,说明其放大能力越强。
  • 理解:开环电压增益是指放大器在闭环工作时,实际输出除以运放正负输入端之间的压差,类似于运放开环工作——其实运放是不能开环工作的。AVO 随频率升高而降低,通常从运放内部的第一个极点开始,其增益就以-20dB/10 倍频的速率开始下降,第二个极点开始加速下降。 如图为 OP07 开环增益与信号频率之间的关系。一般情况下,说某个运放的开环电压增益达到 100dB,是指其低频最高增益。多数情况下,很少有人关心这个指标,而去关心它的下降规律,即后续讲述的单位增益带宽,或者增益带宽积。在特殊应用中,比如高精密测量、低失真度测量中需要注意此指标。
  • 轨到轨运放:当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时,比如相差 0.1V 甚至相等、超过,都可以叫“输入轨至轨”,表示为 Rail-to-rail input,或 RRI。运放的两个输入端,任何一个的输入电压超过此范围,都将引起运放的失效。

9、压摆率(Slew rate,SR)

  • 定义:闭环放大器输出电压变化的最快速率。用 V/μs 表示。
  • 优劣范围:从 2mV/μs 到 9000V/μs 不等。
  • 轨到轨运放:当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时,比如相差 0.1V 甚至相等、超过,都可以叫“输入轨至轨”,表示为 Rail-to-rail input,或 RRI。运放的两个输入端,任何一个的输入电压超过此范围,都将引起运放的失效。
  • 理解,此值显示运放正常工作时,输出端所能提供的最大变化速率,当输出信号欲实现比这个速率还快的变化时,运放就不能提供了,导致输出波形变形,原本是正弦波就变成了三角波。

带宽指标

1、满功率带宽(Full Power Bandwidth) -f0

  • 定义:将运放接成指定增益闭环电路(一般为 1 倍),连接指定负载,输入加载正弦波,输出为指标规定的最大输出幅度,此状态下,不断增大输入信号频率,直到输出出现因压摆率限制产生的失真(变形)为止,此频率即为满功率带宽。
  • 理解:比-3dB 带宽更为苛刻的一个限制频率。它指出在此频率之内,不但输出幅度不会降低,且能实现满幅度的大信号带载输出。 满功率带宽与器件压摆率密切相关.

2、单位增益带宽( Unity Gain-bandwidth, UGBW)-f1

  • 定义:运放开环增益/频率图中,开环增益下降到 1 时的频率。
    -理解:当输入信号频率高于此值时,运放的开环增益会小于 1,即此时放大器不再具备放大能力。这是衡量运放带宽的一个主要指标。

3、增益带宽积( Gain Bandwidth Product, GBP 或者 GBW) -f2

  • 定义:运放开环增益/频率图中,指定频率处,开环增益与该指定频率的乘积。
  • 理解:如果运放开环增益始终满足-20dB/10 倍频,也就是频率提高 10 倍,开环增益变为 0.1 倍,那么它们的乘积将是一个常数,也就等于前述的“单位增益带宽”,或者“ 1Hz处的增益”。在一个相对较窄的频率区域内,增益带宽积可以保持不变,基本满足-20dB/10 倍频的关系,我们暂称这个区域为增益线性变化区。

4、3dB 带宽-f3

  • 定义:运放闭环使用时,某个指定闭环增益(一般为 1 或者 2、 10 等)下,增益变为低频增益的 0.707 倍时的频率。 分为小信号(输出 200mV 以下)大信号(输出 2V)两种。
  • 理解: 它直接指出了使用该运放可以做到的-3dB 带宽。因为前述的两个指标,单位增益带宽和增益带宽积,其实都是对运放开环增益性能的一种描述,来自开环增益/频率图。而这个指标是对运放接成某种增益的放大电路实施实测得到的。

5、建立时间( Settling Time)

  • 定义: 运放接成指定增益(一般为 1),从输入阶跃信号开始,到输出完全进入指定误差范围所需要的时间。 所谓的指定误差范围,一般有 1%, 0.1%几种。
  • 优劣范围: 几个 ns 到几个 ms。

  • 理解: 建立时间由三部分组成,第一是运放的延迟,第二是压摆率带来的爬坡时间,三是稳定时间。很显然,这个指标与 SR 密切相关,一般来说, SR 越大的,建立时间更小。对运放组成的 ADC 驱动电路,建立时间是一个重要指标。

6、增益带宽积

  • 定义:增益带宽积是用来简单衡量放大器的性能的一个参数。就像它的名字一样,这个参数表示增益和带宽的乘积。在频率足够大的时候,增益带宽积是一个常数。
  • 理解:假设运算放大器的增益带宽积为1 MHz,它意味着当频率为1 Mhz时,器件的增益下降到单位增益。即此时A=1。同时说明这个放大器最高可以以1 MHz的频率工作而不至于使输入信号失真。由于增益与频率的乘积是确定的,因此当同一器件需要得到10倍增益时,它最高只能够以100 kHz的频率工作。

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