模擬工程師電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)：運(yùn)算放大器①

作者：Tim Green、Pete Semig 和 Collin Wells 時(shí)間：2020-01-21 來(lái)源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：TI（德州儀器）特別感謝以下人員在技術(shù)方面的貢獻(xiàn)：Tim Claycomb，Mamadou Diallo，Peter Iliya，Zak Kaye，Errol Leon，Marc Liu，Masashi Miyagawa，Gustaf Falk，Olson Bala Ravi，Takahiro Saito，Will Wang

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202001/409472.htm

設(shè)計(jì)說(shuō)明

該設(shè)計(jì)以 10V/V 的信號(hào)增益對(duì)輸入信號(hào) Vi 進(jìn)行放大。輸入信號(hào)可能來(lái)自高阻抗源（例如 MΩ 級(jí)），因?yàn)樵? 電路的輸入阻抗由運(yùn)算放大器的極高輸入阻抗（例如 GΩ 級(jí)）決定。同相放大器的共模電壓等于輸入信號(hào)。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 使用運(yùn)算放大器線性輸出運(yùn)行范圍，通常在 A_OL 測(cè)試條件下指定該范圍。共模電壓等于共模信號(hào)。

2. 該電路的輸入阻抗等于放大器的輸入阻抗。

3. 使用高值電阻器可能會(huì)減小電路的相位裕度并在電路中引入額外的噪聲。

4. 避免將電容負(fù)載直接放置在放大器的輸出端，以最大程度地減少穩(wěn)定性問(wèn)題。

5. 同相放大器的小信號(hào)帶寬取決于電路的增益和放大器的增益帶寬積 (GBP)?？梢酝ㄟ^(guò)添加與 R₁ 并聯(lián)的電容器來(lái)完成額外的濾波。如果使用了高值電阻器，那么添加與 R₁ 并聯(lián)的電容器還將提高電路的穩(wěn)定性。

6. 信號(hào)性能可能會(huì)受到壓擺率的限制。因此，應(yīng)檢查數(shù)據(jù)表中的最大輸出擺幅與頻率間的關(guān)系圖，以最大程度地減小轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真。

7. 有關(guān)運(yùn)算放大器線性運(yùn)行區(qū)域、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真、電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng) ADC 和帶寬的更多信息，請(qǐng)參閱設(shè)計(jì)參考部分。

設(shè)計(jì)步驟

下面給出了該電路的傳遞函數(shù)。

1. 計(jì)算增益。

2. 計(jì)算 R₁ 和 R₂ 的值。

3. 計(jì)算最大程度地降低轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真所需的最小壓擺率。

? OPA171 的壓擺率是 1.5V/μs，因此它滿足該要求。

4. 為了保持足夠的相位裕度，確保器件的增益設(shè)置電阻器和輸入電容創(chuàng)建的零點(diǎn)大于電路的帶寬。

? Ccm 和 Cdiff 分別是 OPA171 的共模和差分輸入電容。

? 由于零點(diǎn)頻率大于此電路的帶寬，因此不滿足該要求。

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

交流仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)說(shuō)明

此設(shè)計(jì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào) V_i1 和 V_i2 求和（相加），并將其進(jìn)行反轉(zhuǎn)。輸入信號(hào)通常來(lái)自低阻抗源，因?yàn)樵撾娐返妮斎胱杩褂奢斎腚娮杵?R₁ 和 R₂ 決定。反相放大器的共模電壓等于連接到同相節(jié)點(diǎn)的電壓，該節(jié)點(diǎn)在該設(shè)計(jì)中接地。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、在線性運(yùn)行區(qū)域內(nèi)使用運(yùn)算放大器。通常在 A_OL 測(cè)試條件下指定線性輸出擺幅。該電路中的共模電壓不隨輸入電壓的變化而變化。

2、輸入阻抗由輸入電阻器決定。確保這些值大于阻抗源的輸出阻抗。

3、使用高值電阻器可能會(huì)減小電路的相位裕度并在電路中引入額外的噪聲。

4、避免將電容負(fù)載直接放置在放大器的輸出端，以最大程度地減少穩(wěn)定性問(wèn)題。

5、小信號(hào)帶寬由噪聲增益（或同相增益）和運(yùn)算放大器增益帶寬積 (GBP) 決定。可以通過(guò)添加一個(gè)與 R3 并聯(lián)的電容器來(lái)完成額外的濾波。如果使用了高阻值電阻器，那么添加一個(gè)與 R3 并聯(lián)的電容器還將提高電路的穩(wěn)定性。

6、大信號(hào)性能可能會(huì)受到壓擺率的限制。因此，應(yīng)檢查數(shù)據(jù)表中的最大輸出擺幅與頻率間的關(guān)系圖，以最大程度地減小轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真。

7、有關(guān)運(yùn)算放大器線性運(yùn)行區(qū)域、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真、電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng) ADC 和帶寬的更多信息，請(qǐng)參閱設(shè)計(jì)參考部分。

設(shè)計(jì)步驟

下面給出了該電路的傳遞函數(shù)。

1. 為 R₃ 選擇一個(gè)合理的電阻值。

R₃=20kΩ

2. 計(jì)算 V_i1 所需的增益。對(duì)于該設(shè)計(jì)，輸出擺幅的一半可用于每個(gè)輸入。

3. 計(jì)算 R₁ 的值。

4. 計(jì)算 V_i2 所需的增益。對(duì)于該設(shè)計(jì)，輸出擺幅的一半可用于每個(gè)輸入。

5. 計(jì)算 R₂ 的值。

6. 計(jì)算小信號(hào)電路帶寬，以確保它滿足 10kHz 要求。確保使用電路的噪聲增益 (NG) 或同相增益。在計(jì)算噪聲增益時(shí)，請(qǐng)注意，R₁ 和 R₂ 是并聯(lián)的。

? 由于閉環(huán)帶寬是 102kHz，而設(shè)計(jì)的目標(biāo)是 10kHz，因此，滿足該要求。

7. 計(jì)算最小壓擺率，以最大限度地降低轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真。

? SROPA170=0.4V/μs，因此它滿足該要求。

8. 為了避免穩(wěn)定性問(wèn)題，確保器件的增益設(shè)置電阻器和輸入電容創(chuàng)建的零點(diǎn)大于電路的帶寬。

? Ccm 和 Cdiff 分別是共模和差分輸入電容。

? 由于零點(diǎn)頻率大于此電路的帶寬，因此不滿足該要求。

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

該仿真會(huì)將 V_i1 從 –2.5V 快速改變至 2.5V，同時(shí) V_i2 則恒定保持在 0V。輸出則被反轉(zhuǎn)，范圍在 –2.44V 至 2.44V 之間。

該仿真會(huì)將 V_i2 從 –250mV 快速改變至 250mV，同時(shí) V_i1 則恒定保持在 0V。輸出則被反轉(zhuǎn)，范圍在 –2.44V 至 2.44V 之間。

交流仿真結(jié)果

該仿真展示了電路的帶寬。注意，兩個(gè)輸入的帶寬是相同的。這是因?yàn)闆Q定帶寬的是電路的噪聲增益，而不是各個(gè)輸入的信號(hào)增益。這些結(jié)果與計(jì)算得到的值十分相符。

瞬態(tài)仿真結(jié)果

該仿真顯示了兩個(gè)輸入信號(hào)的反轉(zhuǎn)和求和。V_i1 是一個(gè) 1kHz 5V_pp 的正弦波，V_i2 則是一個(gè) 10kHz 500mVpp 的正弦波。由于兩個(gè)輸入均被適當(dāng)放大或衰減，因此輸出在規(guī)格之內(nèi)。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說(shuō)明

該設(shè)計(jì)輸入 Vi1 和 Vi2 兩個(gè)信號(hào)并輸出它們的差值（減法）。輸入信號(hào)通常來(lái)自低阻抗源，因?yàn)樵撾娐返妮? 入阻抗由電阻網(wǎng)絡(luò)決定。通常使用差分放大器來(lái)放大差分輸入信號(hào)并抑制共模電壓。共模電壓是兩個(gè)輸入共用的電壓。差分放大器抑制共模信號(hào)功能的有效性稱為共模抑制比 (CMRR)。差分放大器的 CMRR 取決于電阻器的容差。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 在線性運(yùn)行區(qū)域內(nèi)使用運(yùn)算放大器。確保運(yùn)算放大器的輸入不超過(guò)器件的共模范圍。通常在 A_OL 測(cè)試條件下指定線性輸出擺幅。

2. 輸入阻抗由輸入電阻網(wǎng)絡(luò)決定。確保這些值相對(duì)于電源的輸出阻抗而言較大。

3. 使用高值電阻器可能會(huì)減小電路的相位裕度并在電路中引入額外的噪聲。

4. 避免將電容負(fù)載直接放置在放大器的輸出端，以最大程度地減少穩(wěn)定性問(wèn)題。

5. 小信號(hào)帶寬由噪聲增益（或同相增益）和運(yùn)算放大器增益帶寬積 (GBP) 決定?？梢酝ㄟ^(guò)添加與 R₃ 和 R₄并聯(lián)的電容器來(lái)完成額外的濾波。如果使用了高值電阻器，那么添加與 R₃ 和 R₄ 并聯(lián)的電容器還將提高電路的穩(wěn)定性。

6. 大信號(hào)性能可能會(huì)受到壓擺率的限制。因此，應(yīng)檢查數(shù)據(jù)表中的最大輸出擺幅與頻率間的關(guān)系圖，以最大程度地減小轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的失真。