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一 、 运 算 放 大 器 设 计 应 用 经 典 问 答 集 粹1. 用 运 算 放 大 器 做 正 弦 波 振 荡 有 哪 些 经 典 电 路问 :用 运 算 放 大 器 做 正 弦 波 振 荡 器 在 学 校 时 老 师 就 教 过 , 应 该 是 一 个 常 用 的 电 路 。 现 在 我 做 了 几 款 , 实 际 效 果 都不 理 想 。 哪 位 做 过 , 可 否 透 露 些 经 验 或 成 功 的 电 路 ?答 :(1) 用 以 下 方 法 改 进 波 形 质 量 :选 用 高 品 质 的 电 容 ; 对 运 放 的 电 源 进 行 去 耦 设 计 ; 对 震 荡 器 的 输 出 信 号 进 行 滤 波 处 理 。(2) 我 曾 经 在 铃 流 源 电 路 中 用 到 一 种 带 有 AGC 电 路 的 文 氏 电 桥 振 荡 器 , 用 来 产 生 25Hz 的 正 弦 波 , 如 图 所 示 。图 中 使 用 二 极 管 限 幅 代 替 非 线 性 反 馈 元 件 , 二 极 管 通 过 对 输 出 电 压 形 成 一 个 软 限 幅 来 降 低 失 真 。 文 氏 电 桥 或低 失 真 的 特 性 要 求 有 个 辅 助 电 路 来 调 节 增 益 , 辅 助 电 路 包 括 从 在 反 馈 环 路 内 插 入 的 一 个 非 线 性 元 件 , 到 由 外部 元 件 构 成 的 自 动 增 益 控 制 (AGC) 回 路 。 通 过 D1 对 正 弦 波 的 负 半 周 取 样 , 且 所 取 样 存 于 C1 中 , 选 择 R1和 R2, 必 须 使 Q1 的 偏 置 定 在 中 心 处 , 使 得 输 出 电 压 为 期 望 值 时 ,(RG+RQ1)=RF/2。 当 输 出 电 压 升 高 时 ,Q1 增 大 电 阻 , 从 而 使 增 益 降 低 。 在 上 图 所 示 的 振 荡 器 中 , 给 运 算 放 大 器 的 正 输 入 端 施 加 0.833V 电 源 , 使 输出 的 静 态 电 压 处 在 中 心 位 置 处 (Vcc/2=2.5V), 这 里 Q1 多 数 用 的 是 小 信 号 的 MOSFET 2N7000(N 沟 道 ,60V,7.5 欧 ),D1 则 选 用 1N4148。 以 上 供 你 参 考 。(3)为 克 服 RC 移 相 振 荡 器 的 缺 点 , 常 采 用 RC 串 并 联 电 路 作 为 选 频 反 馈 网 络 的 正 弦 振 荡 电 路 , 也 称 为 文 氏 电 桥 振荡 电 路 , 如 图 Z0820 所 示 。 它 由 两 级 共 射 电 路 构 成 的 同 相 放 大 器 和 RC 串 并 联 反 馈 网 络 组 成 。 由 于 φA= 0, 这就 要 求 RC 串 并 联 反 馈 网 络 对 某 一 频 率 的 相 移 φF=2nπ, 才 能 满 足 振 荡 的 相 位 平 衡 条 件 。 下 面 分 析 RC 串 并联 网 络 的 选 频 特 性 , 再 介 绍 其 它 有 关 元 件 的 作 用 。图 Z0820 中 RC 串 并 联 网 络 在 低 、 高 频 时 的 等 效 电 路 如 图 Z0821 所 示 。 这 是 因 为 在 频 率 比 较 低 的 情 况 下 ,(1/ωC)>R, 而 频 率 较 高 的 情 况 下 , 则 (1/ωC)

3. 把 负 电 压 转 成 正 值问 :我 需 要 把 负 电 压 转 成 正 值 , 范 围 是 -0.494 至 -0.221V, 想 接 一 个 反 向 比 例 运 算 电 路 , 但 是 LM358 接 出 来 不对 ,op07 可 以 , 但 是 op07 需 要 正 负 15v 供 电 , 比 较 麻 烦 。请 各 位 推 荐 一 个 正 负 5v 供 电 的 运 放 , 谢 谢 了 。答 :(1) 不 知 你 要 的 输 出 电 压 是 多 少 , 可 以 用 SGM358 试 试 电 源 电 压 是 正 负 2.75( 最 大 )(2) 输 出 电 压 就 是 正 的 啊 ,0.221 至 0.494V, 就 是 一 个 反 相 比 例 运 算 电 路 。 我 再 重 说 一 下 吧 , 其 实 很 简 单 ,就 是 把 一 个 -0.494 至 -0.221V 的 电 压 转 成 正 的 即 可 , 请 大 家 推 荐 一 种 正 负 5V 供 电 的 运 放 。 之 前 我 在 multisim上 用 LM358 模 拟 过 , 但 是 结 果 不 对 。 用 op07 可 以 , 但 是 需 要 正 负 15V 供 电 , 比 较 麻 烦 。 谢 谢 各 位 了 !(3) 楼 主 的 问 题 , 首 先 需 要 认 真 查 看 商 品 的 技 术 规 范 (http://wwwk.heltech.edu.hel.fi/ideaport/d/lm358.pdf),问 题 自 然 明 了 。 答 案 是 : 合 格 的 LM358 在 +/-5V 电 源 和 RL>=10KOhm 的 条 件 下 , 能 够 满 足 将 幅 度 低 于 -1V的 低 频 或 直 流 信 号 做 等 幅 反 向 转 换 或 传 输 。 这 里 , 不 要 被 单 电 源 运 放 的 名 称 所 迷 惑 。 单 电 源 运 放 依 然 可 以 很好 地 工 作 在 双 电 源 供 电 的 工 作 环 境 里 。 不 过 是 因 为 其 比 常 规 / 标 准 运 放 具 有 更 宽 、 更 接 近 Vcc/Vee 电 源 端 电 压的 输 入 / 输 出 能 力 与 特 性 , 才 有 此 专 称 , 两 者 的 结 构 本 质 上 相 同 。 通 用 运 放 在 线 性 传 输 范 围 , 依 然 有 很 多 实 际的 单 电 源 供 电 应 用 。 楼 主 在 模 拟 / 仿 真 LM358 时 , 可 能 将 供 电 设 置 成 正 极 性 单 电 源 的 方 式 , 而 一 般 的 仿 真 软件 , 可 能 将 输 入 电 压 条 件 内 置 为 Vcc/Vee 电 源 端 电 压 的 范 围 , 输 入 电 压 已 经 超 出 限 度 , 结 果 自 然 不 正 常 。 从LM358 的 PNP 差 分 输 入 结 构 看 ,+5V 单 电 源 结 构 即 有 可 能 基 本 满 足 ( 一 定 条 件 下 ) 初 始 的 要 求 ; 而 CA3140(http://www.ee.washington.edu/stores/DataSheets/linear/ca3140.pdf) 的 PMOS 差 分 输 入 结 构 在 单 电 源 条件 下 , 满 足 要 求 的 可 能 性 更 大 。 OP-07 运 放 +/-5V 也 是 可 正 常 工 作 的(http://www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/OP-07.pdf)。 前 期 分 析 极 为 重 要 , 但 还 得 通 过实 际 验 证 。 一 个 反 向 比 例 器 的 验 证 测 试 , 在 面 包 板 上 极 为 便 捷 。 若 有 测 量 仪 器 就 更 为 方 便 与 直 接(Tek-577-178,BJ4840)。 通 过 测 量 , 还 可 评 估 一 下 所 用 仿 真 工 具 的 智 能 程 度 与 符 合 实 际 的 概 率 。 供 参 考 。4. 微 弱 交 流 信 号 的 提 取 与 放 大 的 问 题问 : 我 的 有 用 信 号 是 1~100nA 频 率 1k~10khz 的 交 流 信 号 , 但 是 接 收 信 号 中 又 存 在 1uA 左 右 的 直 流 电 流 , 我电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

应 该 如 何 把 我 要 的 交 流 电 流 提 取 出 来 然 后 放 大 呢 ? 另 外 放 大 部 分 有 什 么 好 的 实 现 方 法 么 ? 大 概 1nA 要 转 换 成10mV。答 :(1) 解 决 问 题 时 , 需 要 提 取 焦 点 的 “ 差 异 ”, 从 而 找 出 解 决 问 题 的 钥 匙 。 这 里 的 关 键 就 是 : 实 现 10M 欧 姆跨 阻 比 例 器 的 直 流 调 零 。 关 于 电 路 的 具 体 参 数 设 计 , 有 时 常 与 工 艺 考 查 紧 密 相 关 。 根 据 经 验 推 算 :4MHz 增益 带 宽 乘 积 的 运 放 与 10M 欧 姆 的 普 通 反 馈 电 阻 Rf 实 现 的 跨 阻 比 例 器 的 信 号 带 宽 可 达 到 40KHz。 因 此 , 对 处于 频 率 上 限 边 界 的 10KHz 的 正 弦 频 率 分 量 , 会 有 -1.83% 的 最 大 频 率 响 应 衰 减 。 主 因 就 是 与 Rf 等 效 并 联 的 总分 布 电 容 Cf( 电 阻 的 封 装 结 构 电 容 + 工 艺 装 配 结 构 电 容 -- 包 括 运 放 封 装 和 PCB 等 空 间 结 构 电 容 )。 若 此 结 果 为不 可 接 受 的 瓶 径 , 可 考 虑 用 两 个 5M 欧 姆 电 阻 串 联 成 一 个 10M 电 阻 , 等 效 Cf 约 可 减 半 。 接 近 80KHz 的 电 路带 宽 产 生 的 最 高 频 响 衰 减 的 影 响 , 将 减 少 到 约 -0.0335% 了 。 运 放 宜 选 用 Ib

(2) 这 个 问 题 我 正 好 遇 到 过 , 我 是 这 样 理 解 的 :a、 一 般 地 , 噪 声 电 压 与 参 考 电 压 成 正 比 , 噪 声 则 随 参 考 电 流 的 增 加 而 减 小 , 因 此 , 降 低 噪 声 的 有 效 途 径 是 采用 外 部 噪 声 滤 波 器 , 对 电 压 参 考 进 行 滤 波 以 获 得 低 噪 声 性 能 。b、 交 流 信 号 放 大 电 路 或 音 频 放 大 电 路 中 , 也 可 采 用 电 源 偏 置 电 路 , 将 静 态 直 流 输 出 电 压 降 为 电 源 电 压 的 一 半 ,基 于 单 电 源 工 作 , 但 输 入 和 输 出 信 号 都 需 要 加 交 流 耦 合 电 容 。c、 采 用 单 电 源 供 电 是 要 付 出 一 定 代 价 , 一 些 输 出 参 数 势 必 会 变 差 , 可 能 出 现 失 真 或 饱 和 。 因 此 需 要 酌 情 考 虑 。以 上 供 你 参 考 。(3) 一 般 运 放 以 双 电 源 工 作 时 是 以 ((V+)+(V-))/2=0V 作 为 参 考 电 压 的 , 运 放 工 作 在 中 间 的 线 性 区 。 运 放若 以 单 电 源 供 电 , 仍 应 当 将 电 压 参 考 点 设 置 在 ((V+)- 0V)/2=(V+)/2 处 。 若 是 反 相 放 大 器 , 应 当 将 同 相输 入 端 的 参 考 电 压 设 为 V+/2, 反 相 输 入 端 的 输 入 信 号 也 应 当 以 V+/2 作 为 参 考 点 。 当 输 入 信 号 接 近 0V 或 V+时 , 会 使 运 放 工 作 在 非 线 性 区 , 放 大 器 输 出 会 出 现 饱 和 失 真 或 截 止 失 真 。7. 如 何 测 试 运 放 的 驱 动 能 力 ?问 :根 据 我 现 有 的 设 备 , 示 波 器 的 探 头 R=10M ohm,C=15pf, 实 际 上 我 们 设 计 的 运 放 的 驱 动 能 力 最 大 才 1Mohm,5pf, 用 现 有 的 示 波 器 发 现 很 难 测 试 。 不 知 道 一 般 有 些 什 么 方 法 。 谢 谢 !答 :要 解 决 这 个 问 题 比 较 简 单 , 根 据 信 号 带 宽 和 噪 声 要 求 , 你 可 以 在 示 波 器 探 头 和 运 放 输 出 端 之 间 加 入 一 个 放 大器 就 可 以 了 , 你 只 要 选 择 好 正 确 的 放 大 器 来 完 成 这 个 中 间 级 放 大 器 。7. 请 教 小 信 号 放 大 问 题问 :我 现 在 遇 到 一 个 信 号 放 大 问 题 , 具 体 信 号 如 下 :没 有 信 号 时 是 7mv 的 直 流 电 压 , 有 信 号 时 是 7mv 为 0,12mv 为 1 的 方 波 (100k,20% 占 空 比 , 上 升 下 降 沿小 于 0.3us), 输 出 阻 抗 3k。我 想 放 大 成 ttl 电 平 , 请 问 如 何 搭 建 电 路 ? 用 什 么 运 放 ?我 原 来 用 的 是 sgm8052 和 8552, 采 用 反 向 放 大 , 单 电 源 。 但 是 不 行 。 因 此 我 想 请 教 一 下 , 应 该 采 用 什 么 运放 ? 什 么 电 路 。 最 好 能 够 有 一 个 电 路 图 , 谢 谢 了 。答 :解 决 这 个 问 题 有 两 种 方 法 :a、 用 交 流 耦 合 放 大 器 提 取 出 +5mv 的 方 波 , 然 后 进 行 限 幅 放 大 器 放 大 , 即 可 得 到 没 有 相 位 移 动 的 TTL 方 波 信号 。b、 用 交 流 耦 合 放 大 器 提 取 出 +5mv 的 方 波 , 并 放 大 到 一 定 信 数 , 然 后 用 比 较 器 去 完 成 方 波 信 号 到 TTL 方波 信 号 的 变 换 。8. 用 单 电 源 做 高 低 通 滤 波 器问 :双 电 源 做 高 低 通 滤 波 器 , 那 是 一 点 问 题 都 没 , 但 要 在 单 电 源 中 做 好 好 像 不 是 很 好 , 曲 线 老 是 不 好 , 有 高 手 可以 帮 忙 吗 ?答 :(1) 单 电 源 供 电 作 有 源 滤 波 器 的 确 很 麻 烦 , 关 键 问 题 是 一 个 滤 波 器 往 往 不 只 一 节 , 各 节 的 直 流 工 作 点 很 难 协 调 。双 电 源 就 无 此 问 题 。 但 是 , 有 些 情 况 下 也 是 可 以 解 决 的 , 从 末 极 开 始 , 工 作 点 取 在 1/2 电 源 电 压 处 , 往 前 推 ,电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

逐 渐 降 低 工 作 点 电 压 , 并 使 无 信 号 输 入 时 , 末 极 不 要 处 于 饱 和 或 截 至 状 态 。(2) 还 不 是 很 明 白 您 说 的 方 法 , 为 什 么 需 要 从 末 级 向 前 逐 级 下 调 呢 ? 如 果 单 电 源 时 输 入 输 出 的 静 态 工 作 点 都 稳定 在 Vdd/2, 和 双 电 源 有 什 么 区 别 呢 ? 是 因 为 考 虑 offset 的 影 响 ?请 指 教 !(3) 滤 波 器 响 应 曲 线 和 供 电 方 式 联 系 并 不 大 , 只 是 电 路 形 式 需 改 变 而 已 , 主 要 是 改 进 偏 置 电 压 和 电 流 , 电 平 移动 。 当 然 选 择 滤 波 器 类 型 最 重 要 。9. AD620 可 变 增 益 电 路 设 计 的 问 题问 :我 最 近 想 用 Ad620 作 一 个 可 调 节 增 益 的 放 大 电 路 , 后 面 接 16 位 的 ADC, 所 以 对 放 大 电 路 的 精 度 要 求 挺 高 。使 用 模 拟 开 关 调 节 增 益 电 阻 达 到 增 益 倍 数 的 改 变 。 问 题 是 :Ad620 的 输 入 不 为 差 分 信 号 。 我 测 量 的 信 号 输 入 为 单 端 信 号 , 我 将 IN+ 接 “ 单 端 信 号 的 信 号 端 ”,IN- 接 “ 传 感 器GND”, 输 出 为 单 端 电 压 信 号 ,ref 输 出 接 地 ( 和 传 感 器 GND 连 接 )。 但 是 我 不 知 道 这 样 接 是 不 是 不 好 ? 可 能 共模 误 差 大 。 有 没 有 更 好 的 设 计 方 案 。 如 何 降 低 共 模 误 差 ? 输 入 就 是 两 根 线 , 一 个 是 传 感 器 信 号 线 , 另 一 根 是传 感 器 地 线 。 如 果 IN- 接 地 , 则 IN- 上 的 共 模 干 扰 信 号 会 直 接 接 到 地 上 减 弱 , 而 IN+ 上 的 共 模 干 扰 信 号 依 然 存在 , 则 AD620 输 出 不 能 降 低 共 模 噪 声 。可 不 可 以 将 输 入 浮 空 , 也 就 是 将 IN+ 接 “ 单 端 信 号 的 信 号 端 ”,IN- 接 “ 传 感 器 GND”, 但 是 “ 传 感 器 GND” 和 Ad620供 电 的 地 相 互 隔 离 ,ref 输 出 接 电 源 地 。 这 样 输 出 信 号 为 IN+ 和 IN- 的 差 值 , 如 同 差 分 信 号 一 样 可 以 降 低 共 模干 扰 。 但 是 两 个 地 电 位 不 同 , 应 该 会 出 现 问 题 , 如 何 才 能 实 现 如 上 的 思 路 。 如 何 保 证 IN- 接 的 地 和 真 正 的 电 源地 接 近 , 同 时 IN- 上 的 共 模 噪 声 依 然 存 在 (IN- 地 和 ref 引 脚 接 地 之 间 “ 隔 离 ”), 这 样 AD620 的 输 出 可 以 最 大 限 度的 降 低 共 模 噪 声 。这 种 设 计 需 要 注 意 什 么 ? 如 何 才 能 提 高 信 号 精 度 , 因 为 后 面 是 16 位 的 AD。答 :楼 主 提 的 问 题 实 质 上 是 如 何 实 现 一 个 单 端 信 号 与 差 分 信 号 的 转 换 问 题 。 这 个 问 题 非 常 普 遍 。 问 题 的 关 键 楼 主已 经 清 楚 地 表 述 了 :“ 如 果 IN- 接 地 , 则 IN- 上 的 共 模 干 扰 信 号 会 直 接 接 到 地 上 减 弱 , 而 IN+ 上 的 共 模 干 扰 信 号依 然 存 在 , 则 AD620 输 出 不 能 降 低 共 模 噪 声 。”仔 细 分 析 这 个 问 题 , 发 现 我 们 只 要 搞 清 楚 AD620 是 否 可 以 单 端 使 用 就 可 以 了 。 可 以 把 问 题 分 成 两 种 情 况 看 一下 :a) 如 果 AD620 的 IN- 可 以 直 接 接 地 使 用 。 因 为 传 感 器 输 出 是 一 个 单 端 信 号 , 本 来 就 有 一 端 是 地 , 如 此 接 法 ,实 质 上 就 是 把 传 感 器 和 测 量 电 路 这 两 个 系 统 共 地 而 已 , 不 存 在 不 能 降 低 共 模 噪 声 这 样 的 问 题 。 当 然 前 提 确 认是 IN- 引 脚 是 否 能 够 直 接 接 地 就 可 以 了 , 这 是 AD620 自 身 的 问 题 , 与 传 感 器 无 关 。b) 如 果 AD620 的 IN- 不 能 接 地 使 用 。 可 以 考 虑 把 传 感 器 的 单 端 信 号 通 过 一 个 差 分 放 大 器 转 换 为 差 分 信 号 即 可 。因 此 , 我 觉 得 只 要 测 量 电 路 可 以 接 收 单 端 信 号 就 可 以 了 , 接 法 不 是 问 题 的 关 键 。10. 运 放 实 现 的 精 密 整 流 电 路 , 仿 真 和 实 际 电 路 结 果 不 一 致 问 题问 :我 用 运 放 和 二 极 管 实 现 精 密 半 波 整 流 , 电 路 如 图 1 所 示 。半 波 精 密 整 流 电 路 的 输 入 电 压 是 前 级 电 路 ( 运 放 构 成 的 加 法 器 ) 的 输 出 信 号 ( 峰 值 为 ±5V、 频 率 为 50Hz 的正 弦 波 ), 仿 真 结 果 如 图 2 所 示 。实 际 电 路 中 , 运 放 采 用 ±12V 供 电 , 运 放 我 用 过 LM324 和 OP07, 二 极 管 用 过 FR103、IN5819、IN4007,最 终 的 结 果 都 一 样 ( 直 接 拿 示 波 器 观 察 )-- 输 出 的 半 波 信 号 向 下 偏 移 , 如 图 3 所 示 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

11. 关 于 微 弱 信 号 放 大问 :我 是 做 水 分 析 仪 器 方 面 的 , 他 们 的 传 感 器 的 输 出 大 多 十 分 微 弱 , 比 如 拿 氧 来 举 例 : 给 传 感 器 供 0.7V 恒 压 , 它会 输 出 一 个 20nA~200nA 这 样 一 个 电 流 , 这 么 微 弱 的 电 流 简 直 是 无 法 想 象 的 , 功 耗 、 速 度 、 带 宽 之 类 都 次 之 ,我 看 了 一 些 运 放 的 资 料 , 但 是 即 使 最 高 端 的 也 不 能 完 成 这 个 任 务 啊 。 是 不 是 需 要 一 些 复 合 的 方 法 或 者 手 段 ?答 :(1) 你 说 微 弱 信 号 放 大 应 该 是 先 进 行 I-V 转 换 , 再 进 行 放 大 , 当 然 也 可 一 步 到 位 ; 实 现 这 种 目 的 应 该 不 难 , 问题 在 于 其 SENSOR 灵 敏 度 和 I-V 转 换 、 放 大 所 产 生 的 噪 声 电 平 如 何 抑 制 ? 推 荐 NS、AD、BB 公 司 的 OP,其 网 站 上 有 详 细 工 程 设 计 手 册 , 应 该 对 你 有 所 帮 助 。(2) 这 种 情 况 一 般 选 择 Ib 非 常 小 的 高 精 运 放 或 者 log AMP, 对 于 信 号 范 围 较 大 的 , 可 以 在 反 馈 端 用 模 拟 开 关选 择 不 同 的 反 馈 电 阻 。(3) 目 前 我 也 一 直 在 解 决 这 个 问 题 : 遇 到 的 问 题 是 若 直 接 利 用 电 阻 将 电 流 信 号 转 换 为 电 压 信 号 (Vout=Iin*R,如 R=1Mohm), 后 跟 一 个 稿 输 入 阻 抗 的 运 放 跟 随 , 发 现 由 于 采 样 电 阻 高 , 而 引 入 了 50HZ 的 干 扰 波“ 采 用 一 个 电 阻 ( 比 如 1Gohm ) 与 一 个 低 偏 置 电 流 较 高 输 入 阻 抗 的 放 大 器 组 成 一 个 跨 导 放 大 器(transconductance amplifier) 即 可 完 成 IV 变 换 (Vout=Iin*Rf, Rf 为 跨 导 -- 就 是 那 个 1Gohm 的 电 阻 ,Iin 为输 入 电 流 ,Vout 为 放 大 器 的 输 入 电 压 )。” 有 一 个 疑 问 :1Gohm 是 否 会 引 入 干 扰 , 如 50HZ 的 周 波 。 问 题 :50HZ的 干 扰 波 该 如 何 消 除 呢 ?(4) a、 电 路 设 计 时 注 意 平 衡 的 处 理 , 尽 量 平 衡 , 对 于 抑 制 干 扰 有 效 , 这 些 在 NS、BB( 被 TI 收 购 了 )、ADI等 公 司 关 于 运 放 的 设 计 手 册 中 均 可 以 查 到 。( 电 流 - 电 压 转 换 , 如 光 电 接 收 电 路 等 )b、 推 荐 加 金 属 屏 蔽 罩 , 将 微 弱 信 号 部 分 罩 起 来 ( 开 个 小 模 具 ), 金 属 体 接 电 路 地 , 可 以 大 大 改 善 电 路 抗 干 扰能 力 。c、nA 级 电 流 已 经 不 小 了 , 不 要 畏 难 。 选 择 输 入 电 流 pA 级 的 运 放 即 可 。 如 果 对 速 度 没 有 多 大 的 要 求 , 运 放 也不 贵 。 仪 表 放 大 器 当 然 最 好 了 , 就 是 成 本 高 些 , 如 果 普 通 运 放 能 满 足 要 求 , 也 可 以 不 用 , 看 你 们 精 度 要 求 了 。( 仪 表 放 大 器 平 衡 性 最 好 , 见 上 面 第 1 条 )d、 若 选 用 非 仪 表 运 放 , 反 馈 电 阻 就 不 要 太 大 了 ,M 欧 级 好 一 些 。 否 则 对 电 阻 要 求 比 较 高 。 后 级 再 进 行 2 级 放大 , 中 间 加 入 简 单 的 高 通 电 路 , 抑 制 50Hz 干 扰 。(5) 50Hz 干 扰 是 经 常 遇 到 的 , 不 太 清 楚 你 的 整 个 系 统 ( 电 源 , 传 感 器 , 信 号 调 理 电 路 , 等 等 ) 的 连 接 关 系 ,各 部 分 供 电 及 接 地 如 何 处 理 的 。 首 先 你 要 找 出 干 扰 源 头 在 哪 里 , 是 从 传 感 器 那 里 来 的 , 还 是 在 信 号 调 理 这 边来 的 , 你 可 以 把 信 号 调 理 电 路 的 输 入 端 对 地 短 路 使 得 输 入 差 分 信 号 为 0, 然 后 观 察 放 大 器 输 出 有 无 干 扰 。 需要 注 意 的 是 , 如 果 你 用 示 波 器 测 量 时 使 用 不 当 , 可 能 造 成 测 量 假 象 , 示 波 器 的 地 线 不 能 太 长 , 示 波 器 的 220v电 源 端 地 线 要 接 地 良 好 , 将 示 波 器 探 头 地 线 与 信 号 线 短 路 ( 这 样 示 波 器 的 输 入 差 分 信 号 为 0), 然 后 接 到 调 理电 路 的 地 上 , 看 有 没 有 50Hz 的 干 扰 , 如 果 有 , 说 明 示 波 器 的 测 量 受 到 共 模 干 扰 的 影 响 , 解 决 方 法 : 使 用 220v隔 离 变 压 器 给 示 波 器 供 电 , 用 短 的 多 股 编 织 铜 带 连 接 示 波 器 信 号 地 和 被 测 电 路 地 。 通 常 , 如 果 放 大 器 与 传 感器 之 间 的 电 缆 较 长 的 话 , 很 容 易 引 入 50Hz 干 扰 , 建 议 使 用 屏 蔽 对 称 电 缆 来 传 送 信 号 。(6) 对 于 微 弱 信 号 的 放 大 , 只 用 单 个 放 大 器 难 以 达 到 好 的 效 果 , 必 须 使 用 一 些 较 特 别 的 方 法 和 传 感 器 激 励 手 段 。使 用 同 步 检 测 电 路 结 构 可 以 得 到 非 常 好 的 测 量 效 果 。 这 种 同 步 检 测 电 路 类 似 于 锁 相 放 大 器 结 构 , 包 括 传 感 器的 方 波 激 励 , 电 流 转 电 压 放 大 器 , 和 同 步 解 调 三 部 分 。 电 流 转 电 压 放 大 器 需 选 用 输 入 偏 置 电 流 极 低 的 运 放 。(7) 很 多 传 感 器 都 要 加 变 换 电 路 后 才 可 以 送 去 放 大 , 前 端 是 非 常 重 要 的 。 这 个 案 例 要 先 做 I/V 变 换 后 就 好 处 理了 。 另 这 种 电 流 的 变 化 对 传 感 技 术 来 说 已 经 很 可 观 的 了 。(8) 对 于 量 程 最 小 为 20nA 的 电 流 测 量 , 张 先 生 建 议 采 用 “ 交 流 放 大 - 同 步 检 测 ” 的 方 法 。 这 种 方 法 在 弱 电 量 测量 方 面 有 广 泛 的 应 用 。 在 弱 电 流 测 量 领 域 ( 行 业 内 称 测 量 弱 电 流 的 仪 表 为 静 电 计 ), 有 一 种 采 用 振 动 电 容 做 ‘ 调电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

制 器 ’ 的 测 量 弱 电 流 的 方 法 , 用 一 定 频 率 的 交 流 信 号 激 励 振 动 电 容 的 线 圈 , 调 制 电 容 极 板 上 的 电 场 ( 不 影 响 电荷 , 极 板 之 间 的 DC leakage current 几 乎 可 以 忽 略 不 计 ), 将 电 荷 转 换 为 交 变 电 压 信 号 , 然 后 交 流 放 大 , 再 进行 相 敏 检 波 ( 或 叫 做 相 干 解 调 , 跟 张 先 生 所 述 ‘ 同 步 检 测 ’ 一 个 意 思 , 可 用 4 个 二 极 管 组 成 双 平 衡 形 式 , 输 入 的信 号 一 路 是 携 带 了 输 入 信 号 的 调 制 信 号 , 另 一 路 是 ), 检 波 输 出 经 缓 冲 后 接 高 电 阻 连 到 输 入 端 --- 所 谓 ‘ 高 绝 缘 端‘ 或 ‘ 高 端 ’, 构 成 一 个 跨 导 放 大 器 。 这 种 方 法 可 以 取 得 很 高 的 灵 敏 度 , 抗 共 模 干 扰 能 力 特 别 强 , 最 小 可 测 电 流 几乎 只 受 噪 声 特 性 限 制 。但 是 , 问 题 的 另 外 一 个 方 面 , 采 用 这 种 方 式 需 要 的 电 路 复 杂 , 器 件 较 多 , 成 本 上 很 不 具 优 势 。实 际 上 , 在 弱 电 流 领 域 ,20nA 是 “ 非 常 强 ” 的 信 号 , 根 本 用 不 着 如 此 大 费 周 折 。 在 所 需 要 的 工 作 温 度 范 围 内 ,根 据 测 量 误 差 限 的 要 求 ( 比 如 全 温 范 围 内 小 于 0.5%), 选 用 输 入 失 调 电 流 最 大 为 pA 量 级 (0.5% 误 差 要 求 可选 Ioffset

实 用 的 电 路 , 在 反 馈 电 阻 两 端 都 要 并 联 pf 级 的 电 容 , 构 成 低 通 滤 波 器 ( 当 然 不 加 电 容 也 是 低 通 , 因 为 有 高 电阻 的 寄 生 电 容 , 运 放 的 低 通 频 率 特 性 ), 用 这 个 低 通 特 性 衰 减 低 频 噪 声 。 低 通 截 至 频 率 越 小 , 输 出 信 噪 比 越 高 ,但 是 得 到 稳 定 读 数 时 间 变 长 , 实 际 需 要 在 2 者 间 求 平 衡 。考 虑 到 运 放 的 失 调 电 压 和 输 入 共 模 干 扰 电 压 的 影 响 , 反 馈 电 阻 在 满 足 上 面 最 大 电 阻 和 本 身 稳 定 性 前 提 下 , 尽量 取 较 大 值 。至 于 电 路 板 ,20nA 最 小 电 流 并 不 需 要 特 殊 板 材 , 普 通 FR4 足 够 了 , 这 种 板 材 干 燥 情 况 下 的 绝 缘 电 阻 不 低 于10e13 ohms, 足 够 了 。 只 是 如 果 不 采 用 高 端 ( 所 有 与 运 放 - 输 入 端 相 连 的 点 ) 浮 空 的 方 法 , 则 在 焊 接 完 元 器件 后 , 要 对 电 路 板 表 面 作 防 潮 处 理 ( 涂 覆 绝 缘 漆 )。(13) 传 感 器 如 果 离 开 电 路 在 10 米 左 右 , 用 屏 蔽 的 聚 乙 烯 介 质 电 缆 足 够 , 最 好 不 要 摇 晃 电 缆 , 传 感 器 附 近 不能 有 电 场 干 扰 。 如 果 有 , 后 面 要 加 条 件 处 理 , 不 知 道 你 的 “ 测 试 源 ” 条 件 如 何 ? 传 输 距 离 很 远 , 也 可 以 将 前级 用 理 电 池 供 电 , 安 放 在 传 感 器 附 近 , 甚 至 可 以 加 用 一 个 V-I 变 换 器 输 出 4-20MA, 传 输 距 离 更 远 。(14) 1 千 兆 级 的 取 样 电 阻 肯 定 引 入 了 干 扰 , 除 了 屏 蔽 输 入 及 和 输 入 电 缆 外 还 要 仔 细 屏 蔽 信 号 源 , 这 里 有 技 巧 !如 果 干 扰 不 太 大 , 后 面 好 歹 加 一 些 条 件 处 理 即 可 。(15) 你 肯 定 可 以 用 电 缆 传 输 , 关 键 是 你 的 “ 采 样 点 ” 是 敞 开 的 吗 ? 可 以 加 一 个 金 属 网 罩 吗 ? 如 果 传 感 器 “ 夹在 电 机 绕 组 内 ” 还 要 想 办 法 “ 隔 离 ” 电 场 干 扰 , 或 者 你 全 部 用 电 池 供 电 , 再 屏 蔽 , 输 出 信 号 用 光 - 电 耦 合 器 传输 至 A-D; 电 位 差 计 时 低 阻 抗 信 号 源 , 没 问 题 ! 但 是 你 要 创 造 的 是 电 流 源 , 小 电 流 源 是 需 要 屏 蔽 的 !(16) 采 用 AD 方 法 当 然 没 有 问 题 。0.1nA 的 分 辨 率 问 题 也 不 大 ( 如 果 是 准 确 度 的 话 就 是 极 大 挑 战 了 )。 要 做 到 6 个 数 量 级 的 宽 量 程 覆 盖 , 进 行量 程 切 换 无 疑 是 准 确 度 最 好 的 方 法 。 至 于 IV 之 后 进 行 VF 还 是 直 接 AD, 都 可 以 ,VF 本 身 也 是 一 种 特 殊 形 式的 AD( 输 出 的 数 字 量 是 单 位 时 间 内 的 脉 冲 个 数 - 脉 冲 频 率 )。量 程 切 换 有 其 固 有 缺 点 , 比 如 需 要 低 漏 电 的 切 换 开 关 , 如 果 是 电 子 开 关 的 话 对 开 关 本 身 的 漏 电 流 要 求 比 运 放偏 置 电 流 要 求 还 要 高 ( 多 个 开 关 并 联 漏 电 加 大 ); 如 采 用 机 械 开 关 ( 如 干 簧 继 电 器 ), 则 存 在 体 积 大 、 切 换 时会 有 较 大 静 电 荷 冲 击 等 缺 陷 。以 本 人 浅 见 , 直 接 进 行 弱 电 流 到 频 率 的 转 换 , 是 进 行 宽 量 程 覆 盖 的 较 好 方 式 。(17) 前 面 的 帖 子 已 经 说 明 了 , 这 些 形 式 的 AD 本 身 都 没 有 。 有 问 题 的 焦 点 是 :IV 变 换 难 以 做 到 6 个 或 以 上 数量 级 的 动 态 范 围 , 所 以 你 在 后 面 的 AD 动 态 范 围 再 大 , 也 无 帮 助 。 一 个 数 据 , 本 人 当 年 采 用 的 直 接 IF 转 换( 没 有 IV 的 中 间 环 节 ) 弱 电 流 测 量 , 其 动 态 范 围 超 过 8 个 数 量 级 , 测 量 下 限 1fA, 分 辨 率 0.1fA(18) I-C 变 换 器 的 确 是 测 量 PA 级 以 下 电 流 的 “ 计 量 ” 的 好 方 法 ( 如 果 你 不 是 “514” 所 的 , 可 否 回 复 我 的 疑 问 ),那 个 I-C 变 换 器 是 为 “ 计 量 ” 所 用 ( 适 当 的 范 围 不 是 不 能 实 用 ), 在 “ 现 场 测 试 ” 工 作 中 它 的 工 作 成 本 ; 实 用 安全 性 - 特 别 是 那 个 “C” 在 生 产 中 挑 选 的 难 度 恐 怕 只 有 你 和 我 知 道 - 电 容 的 残 余 电 荷 的 问 题 , 恐 怕 难 于 在 推 广 中实 际 检 测 小 电 流 的 可 靠 性 ! 难 道 现 场 信 号 能 够 等 待 C 用 “ 毫 HZ” 级 别 的 时 间 去 测 量 过 时 的 信 号 , 除 此 以 外 ,在 已 经 解 决 好 高 阻 标 准 之 后 ,I-V 变 换 器 具 有 实 际 的 可 靠 的 (20 年 ) 重 复 性 —KEITHLEY 的 617 型 仪 器 便 是一 例 , 动 态 范 围 是 由 模 拟 器 件 决 定 的 ,I-C 的 —“I” 是 何 物 ! 只 要 测 量 模 拟 信 号 当 今 的 数 字 信 号 如 何 自 己 检测 模 拟 信 号 !I-C 的 输 入 级 是 模 拟 器 件 , 所 以 I-C;I-V; 动 态 范 围 是 等 同 的 !( 除 非 特 意 延 长 时 间 )。我 在 回 复 SANMING 先 生 问 题 时 是 考 虑 他 的 实 用 特 性 ,I-C 变 换 器 的 确 是 很 理 想 的 方 法 ,“ 高 电 阻 ” 器 件 本 身的 计 量 也 是 使 用 此 法 !(19) “ 电 容 的 残 余 电 荷 ” 在 弱 电 流 测 量 中 是 一 个 大 的 问 题 。 Keithley 公 司 的 “low level measurementshandbook” 中 有 系 统 的 描 述 。对 于 非 常 弱 的 电 流 测 量 (10fA 以 下 ), 所 需 要 的 测 量 时 间 比 较 长 才 能 达 到 稳 定 状 态 , 电 流 越 弱 , 达 到 一 定 准确 度 需 要 的 测 量 时 间 越 长 。 在 非 常 小 的 弱 电 流 测 量 实 践 中 往 往 需 要 小 时 数 量 级 的 测 量 时 间 才 能 得 到 稳 定 的 读数 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

换 句 话 说 , 需 要 测 量 的 电 流 越 弱 , 测 量 系 统 的 带 宽 越 小 , 因 为 系 统 中 的 热 噪 声 是 确 定 存 在 的 , 信 号 越 弱 只 能降 低 测 量 带 宽 换 取 信 噪 比 。12. 为 什 么 信 号 频 率 增 加 , 共 模 抑 止 比 (CMRR) 和 电 源 抑 止 比 (PSRR) 就 会 下 降 呢 ?问 :请 教 : 为 什 么 信 号 频 率 增 加 , 共 模 抑 止 比 (CMRR) 和 电 源 抑 止 比 (PSRR) 就 会 下 降 呢 ? 谢 谢 高 人 解 答 答 :(1) 提 供 共 模 和 电 源 抑 制 比 性 能 的 电 路 结 构 是 恒 流 源 , 即 差 分 放 大 器 共 源 ( 对 于 MOS 电 路 ) 或 共 射 ( 对 于 双极 电 路 ) 结 点 的 恒 流 源 , 或 作 为 放 大 器 负 载 的 恒 流 源 。 这 些 恒 流 源 中 的 晶 体 管 或 MOS 管 的 参 数 会 随 着 信 号频 率 的 升 高 而 变 化 , 引 起 恒 流 作 用 的 劣 化 和 内 阻 的 降 低 , 甚 至 引 起 相 位 失 真 , 使 抑 制 比 下 降 。 如 果 这 些 恒 流源 都 用 电 阻 替 代 有 源 电 路 , 就 不 会 太 受 频 率 的 影 响 , 但 是 其 抑 制 比 参 数 和 增 益 也 不 会 很 高 。(2) 将 问 题 反 过 来 , 首 先 区 分 出 CMRR 和 PSRR 的 影 响 因 素 , 就 会 明 白 其 中 有 一 个 就 是 频 率 问 题 。13. 运 放 工 作 在 弱 反 型 区 的 问 题 ?问 :我 在 设 计 一 个 音 频 功 率 放 大 器 时 , 为 了 提 高 SNR, 让 放 大 器 输 入 管 的 宽 长 比 做 得 很 大 , 导 致 输 入 差 分 对 管 工作 在 弱 反 型 区 , 这 样 做 是 否 对 性 能 什 么 影 响 ?答 :(1) 宽 长 比 增 大 为 何 会 进 入 弱 反 型 ? 弱 反 型 的 效 果 大 致 可 以 用 三 极 管 特 性 模 拟 gm 变 小 , 小 信 号 阻 抗 也 变 小 ,会 导 致 增 益 下 降 ft 下 降 吧 , 书 上 说 适 合 用 于 低 功 耗 低 频 电 路(2) 输 入 管 Gm 增 大 可 减 小 噪 声 。 由 EKV-model, 弱 反 型 区 Gm=Id/(n*Vt), 强 反 型 区 Gm=2*n*Id/Veff, 例 如典 型 的 Veff=300mV, 则 可 得 弱 反 型 与 强 反 型 下 的 Gm 之 比 为 5.6, 因 此 可 用 于 提 高 SNR。 弱 反 型 的 同 时 适用 于 低 压 低 功 耗 设 计 。所 引 起 的 问 题 , 我 想 是 因 为 输 入 管 的 尺 寸 可 能 会 很 大 。 一 方 面 W/L 很 大 ; 另 一 方 面 为 了 抑 制 1/f 噪 声 ,L 也 需要 很 大 , 以 使 沟 道 面 积 WL 增 加 。 两 方 面 结 合 起 来 使 得 在 差 分 对 管 上 出 现 大 的 电 容 , 增 加 了 零 极 点 , 对 相 位裕 度 带 来 一 定 难 度 。事 实 上 , 为 了 人 为 地 使 管 子 工 作 于 弱 反 型 区 , 而 且 通 过 所 需 的 电 流 , 因 此 管 子 的 尺 寸 就 必 须 要 比 强 反 型 的 情况 下 大 很 多 。 而 此 时 的 问 题 , 一 方 面 Vds 会 很 大 , 可 能 会 为 后 级 工 作 点 的 选 取 带 来 不 便 , 令 一 方 面 , 和 之 前提 到 的 一 样 , 管 子 尺 寸 变 大 导 致 节 点 电 容 加 大 , 在 输 入 差 分 对 管 上 引 入 新 的 低 频 零 点 极 点 , 使 相 位 裕 度 变 差 。14. 双 电 源 运 放 改 单 电 源 , 为 什 么 要 取 其 中 点 电 压 供 电 ?问 :能 否 从 原 理 角 度 详 细 分 解 ? 还 有 怎 么 选 择 此 电 压 对 幅 度 的 限 制 ? 还 有 -3dB 的 概 念 怎 么 解 释 ?答 :(1) 因 为 一 般 的 运 算 放 大 器 是 用 来 对 交 流 信 号 作 放 大 作 用 的 , 交 流 信 号 在 经 过 运 放 时 如 果 只 是 和 地 电 平 做 比 较的 话 , 将 会 把 交 流 信 号 的 下 半 部 分 “ 吞 噬 ” 掉 。所 以 我 们 采 用 电 源 的 中 点 电 压 作 比 较 的 话 , 负 半 周 的 交 流 信 号 可 以 几 乎 没 有 损 耗 的 被 放 大 。这 也 就 是 大 家 常 说 的 抬 高 交 流 信 号 的 直 流 电 平 。(2) 如 果 只 是 对 直 流 信 号 放 大 ( 正 电 压 ), 我 觉 得 可 以 不 加 中 点 啊 , 如 果 加 电 源 远 远 大 于 输 出 要 求 电 压 , 也 可 不必 将 中 点 电 位 抬 到 一 半 , 可 以 这 样 理 解 : 运 放 加 的 两 电 压 (+15V +15V 和 0V -15V 和 0V 等 ) 根 据 输 出 要 求不 同 , 中 点 电 位 只 要 在 两 电 压 之 间 就 可 以 , 中 点 电 位 与 上 下 电 源 差 值 决 定 输 出 大 小 ( 不 失 真 时 的 )。 以 我 的 经 验 ,单 电 源 的 中 点 电 位 是 针 对 运 放 的 所 有 输 入 和 输 出 脚 的 , 要 求 高 点 的 场 合 还 要 求 相 位 不 能 偏 移 ( 如 高 档 的 低 音 炮电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

等 ), 也 就 是 说 用 电 容 隔 直 还 满 足 不 了 要 求 。(3) 这 要 看 ICMR(input common mode voltage range) 了 , 如 果 输 入 范 围 很 宽 比 如 rail-to-rail, 那 未 必 需 要 将输 入 钳 制 在 vdd/2。15. 关 于 弱 信 号 提 取 和 放 大问 :我 要 做 一 个 弱 信 号 的 提 取 和 放 大 电 路 , 问 题 在 于 我 的 弱 交 流 信 号 是 叠 加 在 一 个 强 直 流 信 号 之 上 的 。 弱 信 号 为10nA、8Hz 交 流 电 流 , 直 流 信 号 强 度 为 1.4mA, 请 问 各 位 大 侠 , 我 如 何 才 能 把 交 流 信 号 提 取 、 放 大 呢 ?答 :你 好 , 可 用 一 个 由 积 分 器 等 构 成 的 调 零 反 馈 电 路 将 跨 阻 放 大 器 输 出 的 大 直 流 信 号 稳 定 地 消 除 。 根 据 交 流 信 号的 传 输 准 确 性 要 求 , 可 适 当 选 择 积 分 器 通 带 频 率 fL 为 8Hz 的 1/n, 既 :8Hz=n*fL, 通 常 选 n 为 4-7。 有 许 多 70年 代 的 调 零 应 用 和 文 献 , 得 查 一 下 。 此 状 况 与 一 些 微 弱 光 信 号 检 测 极 为 相 似 。16. 请 问 运 放 上 的 +-15V 电 压 不 稳 定 是 不 是 也 影 响 输 出 波 形 ?问 :请 问 运 放 上 的 +-15V 电 压 不 稳 定 是 不 是 也 影 响 输 出 波 形 ?答 :(1) 电 源 电 压 的 波 动 会 影 响 到 输 出 的 , 但 是 对 于 输 出 能 影 响 到 多 少 , 运 放 中 有 个 参 数 PSRR 可 以 体 现 出 来 ,例 如 PSRR=80dB 就 是 说 电 源 每 变 化 1V 输 出 变 化 100uV。(2) 不 稳 定 的 电 压 当 然 会 影 响 输 出 波 形 , 影 响 幅 度 取 决 于 运 放 的 PSRR。 要 解 决 这 个 问 题 , 需 要 加 强 运 放 的 去耦 设 计 和 电 源 的 设 计 ( 一 般 用 LDO 线 性 电 源 给 运 放 供 电 )。(3) 你 好 !PSRR 是 电 源 抑 制 比 的 总 称 。 一 般 有 3 个 具 体 参 数 :+PSRR,-PSRR,+/-PSRR。 表 示 从 某 个 电源 端 或 两 个 电 源 端 分 别 或 同 时 异 向 低 频 变 化 , 在 运 放 差 分 输 入 端 引 入 的 传 输 或 影 响 量 值 。 如 所 分 析 的 :⊿Vps=1V 的 电 源 变 化 , 在 PRSS=80dB 运 放 输 入 端 , 导 致 ⊿Vdi=100uV 的 变 化 (PSRR=20log⊿Vps/⊿Vdi)。于 是 运 放 输 出 电 压 产 生 的 变 化 :⊿Vo=⊿Vdi(1+Rf/Ri);Rf-- 反 馈 电 阻 ,Ri: 输 入 电 阻 。 供 参 考 。17. AD 采 样 中 运 放 的 运 用问 :如 果 我 用 于 采 样 的 信 号 的 电 压 范 围 正 好 和 AD 的 输 入 电 压 范 围 相 同 , 我 是 否 可 以 不 用 运 放 直 接 连 接 ? 为 什 么要 用 运 放 来 进 行 阻 抗 匹 配 ? 怎 么 匹 配 ? 运 放 怎 么 选 择 ? 先 连 接 运 放 然 后 用 RC 滤 波 还 是 直 接 将 运 放 做 成 有 源滤 波 器 ?答 :(1) 本 人 看 法 : 为 交 流 或 直 流 信 号 , 有 必 要 加 运 方 , 可 有 隔 离 , 滤 波 作 用 。顺 便 讨 论 一 个 问 题 : 若 一 个 ADC 的 速 度 为 200KSPS, 那 是 说 明 它 的 采 样 频 率 为 200KHz 吗 ? 那 根 据 奈 奎 斯特 定 理 , 能 采 的 信 号 最 高 频 为 100KHz, 不 知 这 么 理 解 对 不 对 ?(2) 对 的 ,ADC 的 速 度 为 200KSPS, 根 据 奈 奎 斯 特 定 理 , 能 采 的 信 号 最 高 频 为 100KHz, 已 经 到 极 限 。不 过 我 认 为 : 如 果 待 测 电 压 的 内 阻 远 小 于 测 量 电 路 输 入 端 的 内 阻 , 且 待 测 电 压 小 于 测 量 电 路 允 许 值 时 不 需 要加 运 放 , 优 点 是 电 路 简 洁 , 免 调 整 , 减 小 累 计 误 差 。 滤 波 可 根 据 需 要 考 虑 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

问 题 也 就 出 来 了 。第 二 : 元 器 件 的 选 择 , 很 多 mp3 里 面 会 有 一 些 电 感 元 件 什 么 的 , 有 些 元 器 件 是 比 较 便 宜 , 但 是 漏 磁 也 是 严 重的 , 造 成 对 住 IC 或 者 是 周 边 电 路 的 干 扰 过 大 , 导 致 静 噪 声 出 现 。第 三 : 电 路 板 的 排 布 也 会 导 致 噪 声 的 出 现 。第 四 : 软 件 设 计 的 时 候 没 有 考 虑 到 , 在 静 音 的 情 况 下 , 主 IC 还 是 在 做 音 频 输 出 的 工 作 , 尽 管 声 音 似 乎 是 被 静止 了 , 但 是 电 流 还 是 一 点 点 的 流 向 输 出 端 子 , 造 成 静 噪 声 。 还 有 一 种 就 是 对 于 声 音 的 大 小 在 软 件 中 的 定 义 的步 长 有 问 题 , 步 长 过 大 也 会 导 致 看 起 来 静 音 但 是 电 流 还 是 在 流 向 耳 机 输 出 端 。(2) 解 决 噪 声 一 定 要 找 出 噪 声 源 , 可 用 示 波 器 类 的 仪 器 检 查 , 也 可 用 不 同 的 信 号 源 、 放 大 器 、 电 源 互 换 比 较 ,找 出 问 题 才 有 解 决 的 办 法 。20. 有 关 光 耦 放 大 器 问 题问 : 在 这 个 光 耦 放 大 器 中 , 在 B 实 际 电 位 2.3V 左 右 , 因 此 光 偶 基 极 静 态 电 流 约 1.4mA, 输 入 信 号 放 大 后 经 A点 进 入 , 经 光 耦 输 出 一 个 较 大 电 流 , 再 经 电 阻 输 出 电 压 , 然 后 进 入 后 置 放 大 输 出 。 电 流 转 移 比 约 150。 请 问在 理 论 为 何 上 A、B 能 测 到 波 形 而 在 在 C 点 测 不 到 波 形 呢 。 另 外 电 路 频 率 响 应 该 如 何 分 析 呢 ?答 :答 :粗 看 此 电 路 , 逻 辑 上 是 通 的 。 欲 得 等 比 / 线 性 传 输 , 两 光 耦 的 电 流 传 输 比 与 两 边 的 等 值 标 称 元 件 的 参 数 需 要 线性 匹 配 —— 简 单 地 说 : 就 是 各 工 作 点 参 数 相 等 , 对 偶 元 件 数 值 相 等 或 等 比 。 整 个 电 路 必 须 工 作 在 线 性 区 域 内 。一 般 , 信 号 通 带 不 会 超 过 200KHz。 光 耦 的 典 型 开 关 上 升 时 间 :tr>=5uS, 它 的 非 推 挽 的 电 阻 上 拉 输 出 结 构 ,运 放 带 宽 和 运 放 的 反 馈 电 容 C 构 成 了 限 制 带 宽 的 主 要 因 素 。 验 证 时 , 建 议 先 ( 施 加 ) 直 流 -- 便 于 测 量 各 点 工作 电 压 , 工 作 状 态 正 常 后 再 施 加 交 流 信 号 。 供 参 考 。21. 信 号 调 理 方 案问 :我 要 进 行 材 料 应 变 测 量 , 采 用 的 信 号 调 理 方 案 如 下 :一 、 设 计 初 期 , 通 过 低 通 滤 波 器 , 滤 波 , 信 号 受 系 统 的 温 度 漂 移 影 响 较 大 。 无 法 检 测 有 用 的 信 号 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

二 、 由 于 电 桥 输 出 电 压 大 约 5 毫 伏 (0~100HZ), 采 用 AD620 前 置 放 大 , 用 MAX038 提 供 方 波 参 考 信 号 , 通过 乘 法 器 AD534 将 被 测 信 号 调 制 成 10K 的 交 流 信 号 , 交 流 放 大 (AD620), 通 过 带 通 滤 波 器 MAX275 滤 除 高次 谐 波 , 最 后 进 行 相 敏 检 波 。 同 时 , 我 还 用 铁 丝 网 将 电 路 板 屏 蔽 ( 屏 蔽 网 接 地 ) 起 来 。 但 是 , 输 出 信 号 不 稳定 , 达 不 到 测 量 精 度 。第 一 个 方 案 , 已 被 否 决 , 现 在 请 各 位 高 手 指 点 第 二 方 案 的 问 题 出 在 哪 里 , 是 否 还 有 其 他 的 方 案 ?答 :电 桥 输 出 5 毫 伏 信 号 , 按 理 说 不 算 太 小 , 直 接 用 仪 器 放 大 器 , 不 用 交 流 调 制 , 也 应 可 以 。 以 下 几 点 可 注 意 ,a.电 源 需 要 很 稳 , 波 纹 系 数 要 小 。b. 第 一 级 放 大 不 要 太 大 , 小 于 100 吧 , 然 后 再 加 第 二 级 放 大 。c. 先 把 第 一 级放 大 后 的 信 号 质 量 搞 好 , 再 看 后 面 的 电 路 。 对 于 这 样 的 信 号 , 在 电 路 侧 信 号 两 端 并 一 个 高 质 ( 漏 电 小 ) 的 几 uF的 无 极 性 的 电 容 会 有 很 大 好 处 。 第 一 级 输 出 信 号 可 以 有 些 噪 声 , 但 不 应 漂 移 。 经 过 第 二 级 带 有 低 通 放 大 后 ,噪 声 就 会 改 善 。 你 现 在 的 问 题 可 能 发 生 在 第 一 级 。 供 参 考 。22. 电 荷 放 大 器 的 零 漂 问 题问 :压 电 加 速 度 传 感 器 一 般 会 接 一 级 电 荷 放 大 器 来 实 现 电 荷 —— 电 压 转 换 , 可 是 在 传 感 器 动 态 工 作 时 , 电 荷 放 大器 的 输 出 电 压 会 有 不 归 零 的 现 象 发 生 , 如 何 解 决 ?我 的 加 速 度 传 感 器 量 程 大 约 在 30000g 左 右 , 被 测 信 号 频 率 在 30kHz 以 下 ; 压 电 传 感 器 和 电 荷 放 大 器 连 接 后 ,静 态 时 ( 传 感 器 未 受 冲 击 ) 电 荷 放 大 器 的 归 零 非 常 好 , 当 传 感 器 受 到 冲 击 后 会 产 生 零 漂 , 按 您 说 的 调 节 反 馈电 阻 的 方 法 有 一 些 作 用 , 我 想 知 道 调 节 反 馈 电 阻 这 种 方 法 有 没 有 定 量 的 推 导 ?答 :(1) 有 几 种 几 种 可 能 性 会 导 致 零 漂 :a、 反 馈 电 容 ESR 特 性 不 好 , 随 电 荷 量 的 变 化 而 变 化 。b、 反 馈 电 容 两端 未 并 上 电 阻 , 为 了 放 大 器 的 工 作 稳 定 , 减 少 零 漂 , 在 反 馈 电 容 两 端 并 上 方 亏 电 阻 , 形 成 直 流 负 反 馈 可 以 稳定 放 大 器 的 直 流 工 作 点 。c、 可 能 挑 选 的 运 算 放 大 器 的 输 入 阻 抗 不 够 高 , 造 成 电 荷 泄 露 , 导 致 零 漂 。(2) 不 知 道 你 所 说 的 不 归 零 是 怎 样 一 个 具 体 的 情 况 , 你 的 输 入 信 号 的 频 率 多 高 ? 静 态 时 能 归 零 吗 ? 也 许 你 应该 把 示 波 器 观 察 到 的 波 形 贴 上 来 才 好 分 析 。电 荷 灵 敏 放 大 器 跨 接 在 放 大 器 两 端 的 电 容 准 确 叫 法 是 “ 积 分 电 容 ” 而 不 是 “ 反 馈 电 容 ”, 它 的 ESR 并 不 会 随着 电 荷 的 多 少 而 发 生 显 著 的 改 变 。 毫 无 疑 问 , 积 分 电 容 上 的 电 荷 应 该 有 泄 放 通 道 , 通 常 简 单 起 见 可 以 并 联 一个 高 阻 值 的 电 阻 , 但 会 恶 化 噪 声 特 性 。 发 生 不 归 零 , 可 能 的 情 况 可 以 是 :a、 输 入 信 号 频 率 太 高 , 造 成 积 分 器 电 荷 堆 积 , 因 为 积 分 器 放 电 需 要 一 定 时 间 。 尝 试 降 低 输 入 信 号 频 率 试 一 下看 能 否 改 善 , 如 果 是 这 个 原 因 , 可 以 降 低 反 馈 电 阻 的 值 应 该 能 改 善b、 积 分 器 的 静 态 偏 置 有 问 题 , 比 如 没 有 考 虑 失 调 电 流 Ioffset, 失 调 电 压 Voffset 的 影 响 。 可 以 接 上 传 感 器 但是 使 传 感 器 处 于 无 信 号 输 出 状 态 , 观 察 放 大 器 输 出 是 否 归 零 。不 归 零 还 可 能 。(3) 对 于 电 荷 放 大 器 输 出 电 压 不 归 零 的 现 象 , 一 般 采 用 如 下 办 法 来 解 决 :a、 采 用 开 关 电 容 电 路 的 技 巧 , 使 用CDS 采 样 方 式 可 以 有 效 消 除 offset 电 压 。b、 采 用 同 步 检 测 电 路 结 构 , 可 以 有 效 消 除 offset 电 压 。(4) 电 荷 放 大 器 的 零 漂 主 要 来 自 输 入 电 路 的 失 调 电 压 、 失 调 电 流 及 输 入 反 馈 电 阻 , 当 信 号 频 率 趋 于 0 时 , 漂移 干 扰 源 eN 与 输 出 漂 移 eO 之 间 有 如 下 关 系 :eO/eN=1+(gt+gc+gi)/gf其 中 gt、gc、gi、gf 分 别 为 传 感 器 、 传 输 电 缆 , 信 号 输 入 端 的 电 导 及 反 馈 电 阻 的 电 导 。 由 此 可 以 看 出 : 为 了使 输 出 漂 移 小 , 除 了 使 干 扰 源 漂 移 小 以 外 还 必 须 使 传 感 器 、 缆 线 电 阻 要 大 , 运 放 的 开 环 输 入 阻 抗 要 高 、 运 放的 反 馈 电 阻 要 小 , 即 反 馈 电 阻 的 作 用 是 为 了 防 止 漂 移 , 稳 定 直 流 工 作 点 。 但 是 反 馈 电 阻 太 小 的 话 , 根 据 fL=电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

代 码 忘 记 了 。 但 可 联 系 电 子 部 4 所 查 询 ) 有 详 细 的 定 义 与 规 定 。 估 计 在 IEC 和 MIL 标 准 中 也 都 有 。简 单 并 基 本 符 合 原 则 要 求 的 测 量 方 法 如 下 : 双 电 源 情 况 时 , 将 被 测 运 放 搭 接 成 一 个 “ 地 电 位 跟 随 器 ”。 既 : 其输 出 端 与 反 向 输 入 端 短 路 连 接 , 同 向 输 入 端 接 地 ( 既 : 正 负 电 源 的 公 共 端 -- 线 路 中 的 参 考 电 位 端 ); 运 放 对 地不 接 负 载 电 阻 -- 既 负 载 电 阻 无 穷 大 。 分 别 测 量 在 规 定 的 输 入 电 源 电 压 条 件 下 的 流 入 或 流 出 电 源 端 子 的 电 源 电 流--- 在 电 源 与 运 放 电 源 端 子 之 间 串 入 ( 低 内 阻 的 ) 电 流 表 。 通 常 ,Icc=Iee。 单 电 源 测 量 时 , 仅 需 将 运 放 同 向 输入 端 连 接 到 一 个 由 另 一 独 立 电 源 形 成 的 (Vcc-Vee)/2 的 独 立 电 位 端 点 ( 以 Vee 为 参 考 点 ), 其 它 不 变 。 供 参考 。(2) 可 以 选 用 圣 邦 微 电 子 的 SGM8524,SGM8524 为 4 通 道 微 功 耗 运 放 , 静 态 电 流 每 通 道 4.7uA, 带 宽150KHz, 轨 到 轨 输 入 输 出 , 工 作 电 压 2.1~5.5V, 工 作 温 度 -40~125 摄 氏 度 。 应 该 可 以 满 足 你 的 要 求 。(2) 谢 谢 ! 想 再 一 下 , 如 果 双 电 源 供 电 , 电 源 不 对 称 , 静 态 电 流 会 怎 样 的 变 化 呢 ?(3) 通 用 电 压 型 运 算 放 大 器 的 内 部 结 构 主 要 由 : 输 入 差 分 级 、 中 间 增 益 级 和 输 出 缓 冲 级 组 成 。 三 级 均 需 设 置 稳定 的 静 态 工 作 点 。 为 此 , 前 级 、 中 间 级 与 末 级 的 偏 置 电 路 多 采 用 恒 流 源 结 构 --- 以 获 得 稳 定 的 静 态 工 作 点 和 优异 的 PSRR( 电 源 抑 制 比 ) 等 特 性 --- 并 由 此 形 成 静 态 电 流 的 主 部 随 电 源 电 压 变 化 不 大 的 高 阻 特 点 。 静 态 电 源电 流 随 电 源 电 压 的 改 变 部 分 , 主 要 由 跨 接 在 Vcc 到 Vee 之 间 、 设 置 恒 流 源 大 小 的 电 阻 分 压 与 基 准 等 部 分 构 成 ,数 值 通 常 约 在 :15K~2M 欧 姆 之 间 。通 过 上 述 分 析 , 可 得 出 如 下 结 论 : 双 电 源 供 电 、 不 论 两 电 源 电 压 是 否 一 致 , 其 两 电 源 端 子 之 间 的 静 态 伏 - 安 特性 基 本 与 单 电 源 的 特 性 一 致 , 并 在 一 定 的 区 间 内 与 晶 体 管 输 出 特 性 曲 线 一 致 , 呈 现 高 阻 特 性 --- 即 曲 线 斜 率 较小 。 也 可 由 此 看 出 , 使 用 晶 体 管 曲 线 特 性 图 示 仪 (C+ 连 接 Vcc,E- 连 接 Vee, 扫 描 极 性 :NPN+, 运 放 其 余 端 子均 开 路 ) 也 可 测 出 近 似 等 效 单 电 源 的 静 态 电 源 电 流 。 由 此 , 可 以 了 解 电 源 电 压 改 变 时 , 运 放 电 源 电 流 的 变 化特 性 。26. 反 相 比 例 放 大 电 路 不 能 工 作问 :我 现 在 电 路 中 用 运 放 是 TLV2772, 反 相 端 输 入 电 阻 是 10K, 反 馈 电 阻 用 的 是 100K, 输 出 竟 然 是 VCC, 变 成了 比 较 电 路 。 把 反 馈 电 阻 变 成 10K 后 , 结 果 正 常 了 ( 能 实 现 反 相 比 例 运 算 )。 请 各 位 前 辈 帮 我 看 看 问 题 出 在哪 里 ?答 :(1) 如 果 反 相 输 入 电 阻 一 直 是 10K 而 反 馈 电 阻 改 变 为 100K 和 10K 时 , 电 路 的 放 大 倍 数 应 分 别 为 10 倍 和 1 倍 ,如 果 输 入 相 同 的 电 压 值 ,10 倍 时 输 出 电 压 可 能 大 于 电 源 电 压 , 放 大 器 饱 和 。 所 以 请 你 同 时 说 明 输 入 电 阻 的 值有 否 改 变 , 以 及 输 入 电 压 的 变 化 范 围 , 以 便 分 析 。(2) 谢 谢 各 位 前 辈 们 的 指 导 , 问 题 查 出 来 了 , 的 确 是 输 出 饱 和 了 。 运 放 工 作 在 非 线 性 状 态 。 刚 开 始 我 有 个 错 误理 解 : 那 就 是 只 要 构 成 负 反 馈 , 运 放 就 工 作 在 线 性 状 态 。 所 以 当 时 测 量 运 放 输 入 两 脚 , 发 现 不 是 虚 短 , 以 为运 放 坏 了 。27. 不 共 地 对 测 量 的 影 响问 :我 需 要 采 集 一 电 桥 输 出 的 差 分 信 号 , 该 电 桥 由 一 15V 电 源 供 电 , 输 出 差 模 电 压 30mV 左 右 , 我 的 采 集 系 统 由另 一 20V 电 源 供 电 , 此 时 采 集 系 统 放 大 器 输 入 端 的 会 可 能 承 受 多 大 共 模 电 压 ? 由 于 这 个 采 集 精 度 要 求 为 万 分之 三 , 在 两 电 源 不 共 地 的 情 况 下 , 是 否 会 影 响 采 集 精 度 。答 :(1) 你 的 理 解 基 本 正 确 。 这 种 应 用 最 好 信 号 调 理 和 传 感 器 部 分 使 用 不 共 地 的 电 源 , 可 以 极 大 减 小 共 模 电 压 的 影电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

响 。在 两 边 共 地 的 情 况 下 , 如 果 共 模 电 压 是 15v/2( 具 体 取 决 于 你 的 传 感 器 ), 共 模 抑 制 比 为 100dB, 则 有 效 的 ( 与差 分 信 号 同 样 被 放 大 ) 共 模 输 入 信 号 为 : 15/2/100000=75uV , 由 于 共 模 电 压 引 起 的 误 差 为 :75uv/30mv=0.25%, 达 不 到 你 要 求 的 0.03% 的 要 求 。(2) 多 些 楼 上 的 回 答 , 但 是 还 有 一 点 , 就 是 如 果 传 感 器 和 信 号 调 理 电 路 不 共 地 的 话 , 传 感 器 输 出 电 压 相 对 于 信号 调 理 电 路 的 绝 对 值 ( 即 共 模 电 压 ) 就 不 能 确 定 是 多 少 了 ( 而 且 这 个 值 是 不 是 应 该 还 会 随 外 界 情 况 变 化 吧 ),就 好 象 用 电 压 表 去 量 两 个 电 源 负 极 的 电 压 差 , 这 个 值 是 不 固 定 的 , 受 外 界 影 响 很 大 , 这 种 情 况 引 起 的 误 差 就不 可 补 偿 了 ( 应 该 可 以 这 么 表 述 吧 )。 如 果 这 个 共 模 电 压 低 于 1V 则 我 以 100db 的 共 模 抑 制 比 将 差 模 电 压 放 大100 倍 就 可 以 误 差 仍 然 在 范 围 以 内 , 显 然 是 有 可 能 超 过 1V。 所 以 在 两 边 不 共 地 情 况 下 希 望 高 手 给 我 点 提 示 看可 以 怎 么 解 决 这 个 问 题 。 题 外 话 , 如 果 采 用 两 边 共 地 的 情 况 这 是 虽 然 相 对 有 较 高 共 模 电 压 但 是 由 于 其 是 以 固定 值 , 所 以 要 补 偿 的 话 相 对 容 易 可 惜 我 的 电 路 不 能 采 用 这 种 共 地 的 形 式 。(3) 共 地 情 况 下 , 传 感 器 输 出 信 号 是 差 分 与 共 模 成 分 并 存 的 , 二 者 同 时 被 调 理 电 路 放 大 , 前 面 已 经 说 过 , 你 的具 体 例 子 不 能 满 足 精 度 要 求 , 你 不 可 能 只 放 大 差 分 信 号 而 不 放 大 共 模 信 号 , 所 能 做 的 就 是 选 用 CMMR 高 的 放大 器 , 加 上 共 模 补 偿 电 路 ( 使 得 差 分 信 号 输 入 为 0 时 调 理 电 路 输 出 也 为 0)。 在 不 共 地 情 况 下 , 设 两 个 地 之 间的 隔 离 电 阻 是 Ziso, 传 感 器 输 出 阻 抗 Zo, 调 理 电 路 输 入 共 模 阻 抗 Zi, 则 输 入 到 调 理 电 路 的 共 模 电 压 为 :INcomm=Vsense_out_cmm*[Zi/(Zo+Zi+Ziso)], 如 果 你 的 信 号 是 DC 或 者 很 低 频 信 号 , 很 容 易 实 现 Ziso>>Zi,比 如 说 Ziso=100Zi, 则 调 理 电 路 输 入 端 的 等 效 共 模 电 压 为 Incomm=1/100 * Vsense_out_cmm, 即 有 效 共 模电 压 成 分 被 压 缩 为 共 地 情 况 的 1/100(40dB), 从 而 无 需 对 共 模 成 份 进 行 补 偿 。(4) 多 谢 帮 忙 , 令 我 对 这 个 问 题 的 看 法 已 经 清 晰 多 了 , 有 一 点 再 请 教 一 下 , 一 般 为 使 测 量 部 分 电 路 对 传 感 器影 响 较 小 , 都 必 须 用 较 大 的 输 入 阻 抗 , 不 然 像 桥 式 电 路 这 样 的 会 出 现 分 流 影 响 了 结 果 比 如 我 选 用 的 仪 用 差分 放 大 器 为 BB 的 INA118, 其 共 模 输 入 阻 抗 为 10e+10 欧 姆 这 么 高 的 输 入 阻 抗 我 想 应 该 比 两 地 隔 离 电 阻 Ziso高 吧 , 这 个 Ziso 我 想 可 以 理 解 为 绝 缘 电 阻 吧 , 在 不 同 环 境 下 ( 温 度 、 湿 度 ) 为 兆 欧 级 的 变 化 , 所 以 可 以 说 是Zi>>Ziso, 根 据 那 个 公 式 INcomm=Vsense_out_cmm*[Zi/(Zo+Zi+Ziso)], INcomm 近 似 为 Vsense_out_cmm,则 其 情 形 与 共 地 测 量 情 况 一 样 了 , 仍 需 作 共 模 补 偿 。(5) 你 的 理 解 也 不 能 说 错 。 不 过 , 你 忽 略 了 很 多 其 他 方 面 的 因 素 :针 对 你 具 体 选 用 的 INA118, 正 如 你 所 注 意 到 的 那 样 , 他 的 输 入 阻 抗 高 达 10Gohm, 但 从 这 点 上 看 似 乎 对 传感 器 电 桥 的 影 响 可 以 忽 略 不 计 。 但 是 , 运 放 的 使 用 也 有 另 外 一 个 需 要 注 意 的 地 方 , 就 是 它 的 输 入 偏 置 电 流 ,Ibias=1na(ty.), 如 果 在 INA118 的 输 入 端 与 地 之 间 没 有 电 阻 , 偏 置 电 流 没 有 泄 放 通 道 , 它 将 在 运 放 极 高 的 输入 阻 抗 上 " 产 生 " 显 著 的 电 压 (Ibias*Zin_comm), 这 个 等 效 为 输 入 放 大 器 的 额 外 共 模 电 压 。 此 外 , 由 于 仪 表运 放 的 非 理 想 对 称 结 构 , 还 存 在 由 失 调 电 流 (Iin_offset,+- 两 输 入 端 的 偏 置 电 流 差 值 ) 在 输 入 阻 抗 上 产 生 的等 效 差 分 输 入 电 压 。 由 于 失 调 电 流 温 漂 和 时 间 漂 移 , 最 终 由 它 引 起 的 等 效 差 分 输 入 电 压 也 是 个 变 数 , 所 以 ,实 际 的 应 用 电 路 中 , 必 须 考 虑 这 些 因 素 。 作 为 一 个 参 考 , 可 以 考 虑 输 入 失 调 电 流 引 起 的 差 分 电 压 跟 失 调 电 压(Vin_offset) 处 于 同 样 水 平 , 对 于 INA118, 可 以 计 算 出 偏 置 电 流 泄 放 通 道 的 等 效 直 流 电 阻 应 满 足 :Rbias=Vin_offset/Iin_offset=10k~100k 范 围 。你 可 以 自 己 画 画 在 不 共 地 情 况 下 的 等 效 电 路 图 , 考 虑 上 面 说 的 引 起 误 差 的 因 素 , 自 然 可 以 评 估 最 后 的 总 误 差 。在 为 运 放 提 供 了 偏 置 电 阻 Rbias(+,- 对 运 放 地 ) 后 , 偏 置 电 阻 对 传 感 器 的 等 效 并 联 阻 抗 为 :Rbias+Ziso,并 非 以 Rbias 数 值 直 接 影 响 电 桥 ! 象 你 这 种 较 高 精 度 测 量 要 求 ( 误 差

我 用 HA17741 和 LM358 两 个 芯 片 ,正 负 输 入 引 脚 都 接 地 , 但 输 出 却 是 和 +VCC,-VEE 相 当 的 电 压 。答 :这 是 失 调 电 压 引 起 的 。 运 放 的 两 个 输 入 端 同 时 接 地 时 , 不 管 其 他 引 脚 如 何 连 接 , 运 放 处 于 开 环 全 增 益 状 态 。随 便 拿 一 个 运 放 举 例 :LM358 开 环 增 益 100K 输 入 失 调 电 压 3mV, 开 环 输 出 失 调 理 论 上 可 达 300V 之 多 , 当然 由 于 正 负 电 源 的 限 制 , 只 能 到 电 源 电 压 。 而 失 调 电 压 在 差 分 输 入 的 两 个 输 入 端 不 一 定 哪 一 端 是 正 的 , 所 以可 能 输 出 正 电 源 电 压 , 也 可 能 是 负 电 源 电 压 。 再 说 这 样 大 的 增 益 即 使 输 入 失 调 电 压 为 0, 也 会 产 生 振 荡 或 干扰 。 所 以 任 何 运 放 不 可 以 在 开 环 下 工 作 或 测 试 , 即 使 测 试 开 环 增 益 / 输 入 失 调 这 些 参 数 , 也 是 连 成 反 馈 放 大 器换 算 出 来 的 。29. 如 何 放 大 阶 梯 波 电 流问 :请 教 各 位 是 否 有 做 过 阶 梯 波 电 流 放 大 的 电 路 , 是 如 何 实 现 的 ? 在 此 深 表 感 谢 !答 :典 型 的 阶 梯 波 电 流 的 产 生 与 应 用 , 常 见 于 晶 体 管 特 性 曲 线 图 示 仪 ( 通 常 :1uA/ 阶 --1A/ 阶 )。 一 般 的 实 现 思 路 是 :用 标 准 电 压 阶 梯 波 信 号 驱 动 跨 导 放 大 器 (K=Io/Vi)。 由 此 , 可 先 将 小 幅 度 阶 梯 波 电 流 通 过 标 准 电 阻 转 换 成 电 压阶 梯 波 信 号 , 再 经 由 跨 导 放 大 器 获 得 希 望 幅 度 的 阶 梯 波 电 流 (Ii*R*K)。 可 参 见 JT-I、QT-2、TEK-576、TEK-577-1等 产 品 的 图 纸 。30. 积 分 电 路 中 选 择 放 大 器 的 原 则问 :在 高 精 度 积 分 电 路 中 选 用 放 大 器 , 是 考 虑 失 调 电 压 还 是 失 调 电 流 ? 我 认 为 应 该 优 先 考 虑 失 调 电 流 。 现 在 我 选用 的 是 AD 的 OP4177, 失 调 电 流 为 0.5nA, 在 没 有 输 入 的 情 况 下 , 会 有 积 分 现 象 发 生 。 我 想 选 用 一 个 低 失 调电 流 的 , 不 知 道 可 不 可 行 ?当 没 有 输 入 时 , 积 分 电 路 出 现 或 正 斜 率 或 付 斜 率 的 斜 坡 电 压 ?答 :总 的 来 说 , 应 选 用 偏 置 电 流 小 的 , 在 积 分 电 路 正 确 构 造 ( 比 如 对 电 压 反 相 端 积 分 , 则 同 相 端 应 该 是 R-C 串 联 ,R、C 取 值 与 反 相 端 所 接 输 入 电 阻 、 积 分 电 容 相 等 ) 的 前 提 下 , 则 用 考 虑 失 调 电 流 来 定 量 考 虑 , 但 需 要 计 算 每个 输 入 端 是 否 因 为 偏 置 电 流 在 电 容 上 造 成 的 电 压 超 过 了 共 模 范 围 。 积 分 器 不 可 能 一 直 对 平 均 值 不 为 0 的 信 号( 偏 置 电 流 就 是 ) 进 行 无 限 积 分 , 需 要 或 者 加 上 直 流 负 反 馈 , 或 者 只 工 作 在 断 续 状 态 ( 积 分 - 放 电 交 替 进 行 )。0.1na 的 偏 置 电 流 不 小 , 应 根 据 情 况 据 丁 是 否 选 用 更 低 的 。 目 前 1pA 以 下 的 运 放 很 多 , 价 格 也 不 贵 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

二 、 四 类 运 算 放 大 器 的 技 术 发 展 趋 势 及 其 应 用 热 点运 算 放 大 器 历 经 数 十 年 的 发 展 , 从 早 期 的 真 空 管 演 变 为 现 在 的 集 成 电 路 , 根 据 不 同 的 应 用 需 求 主 要 分 化 出通 用 型 、 低 电 压 / 低 功 耗 型 、 高 速 型 、 高 精 度 型 四 大 类 运 放 产 品 。 一 般 而 言 , 高 速 运 放 主 要 用 于 通 信 设 备 、视 频 系 统 以 及 测 试 与 测 量 仪 表 等 产 品 ; 低 电 压 / 低 功 耗 运 放 主 要 面 向 手 机 、PDA 等 以 电 池 供 电 的 便 携 式 电 子产 品 ; 高 精 度 运 放 主 要 针 对 测 试 测 量 仪 表 、 汽 车 电 子 以 及 工 业 控 制 系 统 等 。 通 用 运 算 放 大 器 应 用 最 广 , 几乎 任 何 需 要 添 加 简 单 信 号 增 益 或 信 号 调 理 功 能 的 电 子 系 统 都 可 采 用 通 用 运 放 。近 年 来 消 费 电 子 、 通 讯 、 网 络 等 应 用 领 域 的 发 展 对 运 放 产 品 也 提 出 新 的 技 术 要 求 , 更 低 功 耗 、 更 小 封 装 以及 良 好 的 匹 配 性 能 都 变 得 十 分 重 要 。 为 此 , 设 计 人 员 在 设 计 方 法 上 加 创 新 , 制 造 工 艺 与 封 装 技 术 的 进 步 也为 提 升 运 放 性 能 提 供 了 一 定 的 保 证 。 在 多 方 因 素 推 动 下 , 下 一 代 运 算 放 大 器 正 朝 着 速 度 更 快 、 集 成 度 更 高 、价 格 更 低 的 方 向 发 展 。从 市 场 需 求 的 角 度 看 , 全 球 对 放 大 器 的 需 求 都 保 持 强 势 增 长 。 中 国 市 场 也 不 例 外 , 尤 其 在 消 费 和 通 讯 领 域 。凌 特 公 司 信 号 调 理 产 品 线 总 经 理 Erik Soule 表 示 ,“ 通 讯 和 网 络 基 础 设 备 市 场 已 经 开 始 复 苏 , 未 来 几 年 这 类设 备 在 中 国 会 有 很 大 增 长 。 而 这 些 应 用 都 需 要 高 速 ADC 驱 动 器 , 以 及 低 噪 声 、 低 输 入 偏 压 运 放 等 产 品 。”ADI 公 司 产 品 线 经 理 Curt Ventola 认 为 , 未 来 放 大 器 市 场 增 长 的 驱 动 力 主 要 有 三 方 面 : 其 一 , 便 携 式 应 用的 低 功 耗 要 求 将 推 动 具 有 低 操 作 电 源 电 压 / 电 流 的 放 大 器 增 长 ; 其 二 , 高 分 辨 率 应 用 需 要 能 降 低 噪 声 和 失 真度 的 放 大 器 ; 其 三 , 由 于 性 能 和 价 格 压 力 持 续 上 扬 , 因 此 能 够 集 成 其 他 功 能 的 放 大 器 前 景 乐 观 。意 法 半 导 体 公 司 (ST) 亚 太 区 标 准 线 性 IC 产 品 行 销 经 理 Leon LEE 也 指 出 , 测 试 和 测 量 、 通 讯 、 医 疗 影 像 等领 域 的 先 进 应 用 是 提 升 放 大 器 性 能 的 主 要 驱 动 力 ;DSL 和 消 费 类 视 频 应 用 是 最 大 的 市 场 , 而 且 未 来 将 继 续此 趋 势 。 其 中 ,DSL 运 放 的 增 长 点 主 要 在 于 线 路 驱 动 器 。 而 整 合 了 滤 波 、 多 路 技 术 以 及 DC 恢 复 等 功 能 的消 费 类 视 频 放 大 器 也 被 看 好 。市 场 调 查 公 司 Databean 资 料 显 示 , 高 速 、 低 电 压 / 低 功 耗 、 高 精 度 三 类 运 算 放 大 器 的 市 场 预 计 在 未 来 的 五年 会 稳 步 增 长 , 年 复 合 增 长 率 分 别 达 到 13%、8% 及 11%, 通 用 运 算 放 大 器 的 年 复 合 增 长 率 预 计 为 5%。从 应 用 的 角 度 讲 , 不 同 的 系 统 对 运 放 有 不 同 要 求 , 选 择 合 适 的 运 放 对 于 系 统 设 计 至 关 重 要 。 对 于 通 信 、 高速 测 量 仪 表 及 超 声 波 设 备 等 高 速 应 用 , 交 流 特 性 极 为 重 要 。 但 对 于 低 速 的 高 精 度 系 统 , 直 流 方 面 的 特 性 则通 常 更 为 重 要 。 衡 量 系 统 在 交 流 特 性 方 面 的 参 数 有 信 号 带 宽 、 失 真 率 、 噪 声 等 ; 而 衡 量 系 统 在 直 流 特 性 方面 的 参 数 有 输 入 补 偿 电 压 、 开 环 增 益 、 输 入 偏 置 电 流 及 共 模 抑 制 比 等 。本 文 将 从 应 用 需 求 、 技 术 特 点 和 工 艺 封 装 等 方 面 探 讨 这 四 类 运 放 的 技 术 发 展 趋 势 和 应 用 热 点 。通 讯 和 视 频 应 用 使 高 速 运 放 成 为 焦 点电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

高 速 运 放 泛 指 频 宽 高 于 50MHz 的 运 放 , 而 现 在 为 了 与 信 号 链 后 端 组 件 ( 例 如 高 速 ADC 或 处 理 器 ) 的 需 求 相匹 配 , 运 放 的 频 宽 记 录 已 突 破 GHz。 这 主 要 源 于 后 端 组 件 的 效 能 近 年 来 显 著 提 升 , 因 而 位 居 信 号 链 前 端 的运 放 为 了 与 后 端 组 件 相 匹 配 , 以 避 免 拖 累 信 号 链 的 整 体 效 能 表 现 , 于 是 开 始 向 高 速 化 发 展 , 未 来 高 速 运 放可 能 跃 升 为 主 流 运 放 产 品 。据 DataBean 预 测 , 高 速 运 放 将 逐 渐 侵 占 其 它 运 放 产 品 的 市 场 占 有 率 。 以 出 货 金 额 计 , 到 2009 年 , 高 速 运放 占 整 体 运 放 市 场 规 模 的 比 重 将 达 到 三 成 , 而 通 用 型 运 放 则 下 降 到 两 成 以 下 。Intersil 公 司 模 拟 信 号 处 理 部 行 销 副 总 裁 Simon Prutton 指 出 , 驱 动 高 速 运 放 市 场 增 长 的 主 要 应 用 是 模 拟 视频 处 理 和 传 送 以 及 通 讯 系 统 。 而 且 , 伴 随 更 高 的 分 辨 率 显 示 和 射 频 频 谱 的 有 效 使 用 , 这 两 种 应 用 在 未 来 将会 给 设 计 人 员 提 出 新 的 挑 战 。 意 法 半 导 体 公 司 亚 太 区 标 准 线 性 IC 产 品 行 销 经 理 Leon LEE 也 表 示 , 由 于 蜂窝 电 话 、 数 码 相 机 、DVD/TV 和 多 媒 体 应 用 的 驱 动 , 视 频 放 大 器 等 高 速 运 放 将 大 幅 增 长 。总 体 而 言 , 高 速 运 放 主 要 应 用 在 xDSL 调 制 解 调 器 、 机 顶 盒 以 及 视 频 系 统 中 , 或 是 担 任 高 速 ADC 的 前 级 信号 调 整 角 色 。 这 类 运 放 对 于 信 噪 比 和 失 真 度 的 要 求 最 为 严 格 , 因 此 半 导 体 厂 商 在 设 计 这 种 运 放 时 , 普 遍 采用 差 动 输 出 的 形 式 。与 传 统 采 用 “ 二 入 一 出 ” 架 构 的 运 放 相 比 ,“ 二 进 二 出 ” 的 差 动 输 出 由 于 同 时 输 出 两 个 反 相 的 信 号 , 因 此 系 统 工程 师 可 以 通 过 两 个 信 号 的 比 较 得 知 输 出 信 号 在 未 受 噪 声 或 失 真 影 响 前 的 波 形 , 从 而 使 设 计 工 程 师 可 以 及 时解 决 信 号 链 上 可 能 出 现 的 问 题 。例 如 ADI 公 司 最 新 推 出 的 高 速 运 放 AD8045, 该 器 件 具 有 易 用 的 电 压 反 馈 结 构 、 归 一 化 增 益 稳 定 性 , 以 及专 为 高 性 能 系 统 而 优 化 的 引 脚 输 出 。 器 件 速 度 达 到 1GHz, 并 具 有 低 噪 声 和 低 失 真 等 特 性 , 适 用 于 多 种 高速 应 用 , 包 括 医 疗 设 备 、 自 动 测 试 设 备 以 及 数 据 采 集 系 统 。针 对 高 速 视 频 和 监 控 应 用 ,Intersil 公 布 一 款 三 放 大 器 EL5367, 它 采 用 专 有 的 定 制 结 构 来 隔 离 其 三 个 放 大器 , 该 器 件 打 破 了 1GHz 的 速 率 极 限 。EL5367 的 总 供 电 电 流 仅 25mA, 可 在 5V 至 12V 的 单 供 电 电 压 范 围内 工 作 , 能 够 驱 动 高 于 QXGA(2048×1536 象 素 ) 的 分 辨 率 应 用 。典 型 的 视 频 驱 动 架 构 采 用 交 流 耦 合 或 直 流 耦 合 方 案 。 采 用 交 流 耦 合 的 系 统 需 要 大 的 外 部 电 容 , 但 不 需 负 电源 轨 。 采 用 支 流 耦 合 的 系 统 不 需 要 昂 贵 的 大 外 部 电 容 , 但 需 要 负 电 源 轨 。Intersil 的 视 频 放 大 器 ISL59830则 是 在 芯 片 上 生 成 负 电 源 轨 并 允 许 视 频 信 号 的 直 流 耦 合 , 能 用 单 独 3.3V 电 源 供 电 。 而 凌 特 的 LT6555/6 是2:1 多 路 复 用 三 通 道 视 频 放 大 器 , 适 于 LCD 投 影 仪 和 高 清 晰 度 视 频 应 用 。便 携 式 应 用 催 生 低 电 压 / 低 功 耗 运 算 放 大 器随 着 手 机 、PMP 等 依 赖 电 池 供 电 的 便 携 式 产 品 出 现 , 强 调 低 功 耗 、 低 电 压 的 运 放 应 运 而 生 。 一 般 定 义 下 的低 电 压 运 放 , 指 工 作 电 压 低 于 2.5 伏 特 , 而 所 谓 的 低 功 耗 运 放 , 通 常 指 供 电 电 流 低 于 1mA。 这 类 运 放 大 多用 在 音 频 系 统 或 是 电 压 比 较 电 路 、 滤 波 器 等 不 需 要 太 高 频 宽 的 应 用 。此 外 , 在 测 试 、 测 量 和 医 疗 系 统 , 工 程 师 也 希 望 在 低 功 耗 水 平 下 获 得 改 进 的 性 能 ( 例 如 , 更 高 的 带 宽 、 更 快的 转 换 率 和 更 低 的 失 真 度 ), 所 以 在 这 些 领 域 低 功 耗 运 放 也 有 创 新 机 会 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

针 对 便 携 式 视 频 应 用 ,ADI 公 司 推 出 ADA4850-X 系 列 放 大 器 , 能 提 供 轨 至 轨 (R-R) 输 出 特 性 , 工 作 电 源 电压 低 于 2.7V。 该 产 品 可 大 幅 降 低 失 效 电 流 , 能 够 延 长 便 携 式 视 频 应 用 的 电 池 寿 命 。此 外 ,ADI 的 6 通 道 视 频 放 大 器 ADA4410-6 还 整 合 了 视 频 滤 波 器 , 是 一 种 单 芯 片 解 决 方 案 。 该 产 品 能 够 节省 50% 的 功 耗 同 时 具 有 高 可 靠 性 。 能 使 用 户 获 得 具 有 最 佳 高 清 晰 度 视 频 影 像 质 量 的 低 成 本 方 案 。美 信 的 低 成 本 、 低 功 耗 、 高 端 功 率 / 电 流 监 视 器 MAX4210/MAX4211, 提 供 与 负 载 功 耗 成 正 比 的 模 拟 输 出 电压 , 负 载 功 耗 用 负 载 电 流 乘 以 源 极 电 压 计 算 。MAX4210/MAX4211 利 用 高 端 电 流 检 测 放 大 器 来 测 量 负 载 电流 , 由 于 不 影 响 负 载 的 接 地 通 道 , 因 而 尤 其 适 合 电 池 供 电 系 统 。测 试 测 量 等 应 用 推 进 高 精 度 运 放 发 展高 精 度 运 放 一 般 指 失 调 电 压 低 于 1mv 的 运 放 。 与 低 电 压 / 低 功 耗 运 放 不 同 , 这 类 产 品 由 于 对 信 号 精 准 度 的 要求 极 高 , 如 果 将 这 类 运 放 整 合 到 后 端 芯 片 中 形 成 SoC, 其 它 电 路 的 噪 声 将 严 重 干 扰 此 类 运 放 的 正 常 运 作 ,因 此 就 现 阶 段 的 技 术 来 看 , 这 类 运 放 将 是 最 不 容 易 被 整 合 的 组 件 。 高 精 度 运 放 可 用 于 工 业 自 动 化 、 医 疗 器材 、 量 测 仪 器 、 汽 车 电 子 、 甚 至 军 事 国 防 等 不 同 领 域 。不 同 的 应 用 对 放 大 器 提 出 不 同 的 技 术 要 求 。 美 信 公 司 多 媒 体 业 务 部 应 用 工 程 师 Prashanth Holenarsipur 指出 , 用 户 在 寻 求 理 想 的 运 放 , 他 们 希 望 获 得 针 对 特 殊 应 用 的 附 加 特 性 , 以 及 极 小 的 封 装 和 低 电 源 电 流 , 多种 需 求 为 制 造 精 密 运 放 带 来 挑 战 。Intersil 的 EL8176 和 EL8178 可 实 现 100 微 伏 的 最 大 输 入 补 偿 电 压 , 而 达 到 这 点 只 需 75 毫 安 的 电 流 , 并能 获 得 700 kHz 的 增 益 带 宽 。凌 特 推 出 的 LT1994 是 3V 和 5V 电 源 供 电 的 高 性 能 全 差 分 运 放 , 能 提 供 16 位 精 度 , 可 驱 动 高 分 辨 率 模 数转 换 器 。 该 器 件 在 电 压 低 至 2.375V 时 仍 保 证 工 作 , 并 具 有 轨 至 轨 输 出 , 无 需 负 电 源 就 可 直 接 驱 动 2.5V 和3V 的 SAR ADC。凌 特 的 Erik Soule 介 绍 说 :“ 由 于 模 数 转 换 器 向 更 低 电 压 、 单 电 源 和 高 性 能 发 展 , 因 此 需 要 能 够 于 不 降 低 性能 的 前 提 下 在 共 模 电 源 轨 上 工 作 的 差 分 放 大 器 。LT1994 满 足 了 这 种 需 求 , 为 客 户 提 供 了 能 够 驱 动 16 位ADC 的 单 电 源 解 决 方 案 。”此 外 , 凌 特 还 发 布 了 两 款 高 电 压 (105V) 电 流 检 测 放 大 器 。 其 中 LTC6101 采 用 小 型 SOT 封 装 , 具 有 1uS 的快 速 响 应 时 间 和 高 精 度 ;LT6100 结 合 高 精 度 和 管 脚 配 置 的 特 性 , 不 需 外 部 增 益 设 置 电 阻 。通 用 运 放 在 传 统 应 用 领 域 仍 有 发 展 空 间虽 然 随 着 应 用 需 求 不 断 变 更 , 运 放 供 货 商 必 须 顺 应 市 场 变 化 推 出 相 应 的 新 产 品 。 然 而 因 为 运 放 在 业 界 已 被广 泛 采 用 数 十 年 之 久 , 有 些 应 用 产 品 的 生 命 周 期 也 长 达 十 多 年 , 因 此 很 多 传 统 产 品 仍 有 其 一 定 的 市 场 需 求 ,例 如 在 汽 车 与 工 业 自 动 化 领 域 , 就 有 很 多 设 备 还 是 需 要 用 到 传 统 的 通 用 运 放 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

通 用 运 放 对 工 程 师 而 言 , 可 以 说 是 最 常 用 的 半 导 体 组 件 之 一 。 通 过 外 部 电 阻 的 不 同 配 置 , 一 颗 运 放 可 以 对输 入 信 号 进 行 各 种 微 调 后 再 输 出 , 以 符 合 信 号 链 后 端 的 ADC、 电 源 管 理 芯 片 等 组 件 的 输 入 信 号 要 求 。 正 因为 其 简 单 易 用 的 特 性 , 再 加 上 极 为 经 济 实 惠 的 价 格 , 因 而 使 得 这 类 放 大 器 始 终 在 出 货 量 上 稳 居 运 放 市 场 的主 流 地 位 。然 而 , 为 顺 应 PCB 板 尺 寸 不 断 缩 水 , 以 及 制 造 工 艺 发 展 所 造 成 的 输 入 电 压 下 降 的 趋 势 , 通 用 型 运 放 也 必 须革 新 应 变 。 例 如 凌 特 推 出 的 LT1990/1/2/5/6 放 大 器 , 就 集 成 了 精 度 匹 配 电 阻 , 不 同 型 号 按 照 高 精 度 、 高 速度 或 高 电 压 应 用 进 行 优 化 , 可 用 作 反 相 、 非 反 相 或 差 分 放 大 器 连 接 。综 上 所 述 , 未 来 高 速 运 放 有 望 取 代 通 用 运 放 成 为 主 流 产 品 , 但 从 整 体 看 , 各 类 运 放 的 市 场 规 模 都 将 呈 现 增长 态 势 。 便 携 式 音 频 / 视 频 播 放 器 、 无 线 通 讯 、 医 疗 成 像 、 工 业 和 仪 器 仪 表 等 应 用 领 域 都 将 为 下 一 代 运 放 创造 新 的 机 会 。制 造 工 艺 与 封 装 技 术 进 步 提 升 运 放 性 能新 应 用 对 运 放 提 出 诸 如 高 速 、 低 功 耗 、 高 集 成 度 等 新 的 技 术 要 求 。 为 此 , 设 计 人 员 不 断 探 索 新 的 设 计 方 法 ,但 只 从 设 计 着 手 不 足 以 实 现 具 有 竞 争 力 的 产 品 , 只 有 配 合 适 当 的 制 造 工 艺 和 封 装 技 术 才 能 将 不 断 优 化 产 品性 能 , 适 应 新 的 应 用 需 求 。 美 国 国 家 半 导 体 (NSC) 亚 太 区 放 大 器 产 品 市 场 经 理 胡 国 佳 指 出 ,“ 运 放 产 品 的 竞争 力 其 实 是 电 路 设 计 、 制 造 工 艺 技 术 、 封 装 技 术 三 者 的 函 数 , 少 了 任 何 一 个 环 节 , 都 无 法 在 市 场 上 推 出 具有 竞 争 力 的 产 品 。”目 前 运 放 产 品 主 要 采 用 CMOS、 双 极 、BiCMOS 等 工 艺 制 造 。 许 多 运 算 放 大 器 系 列 都 提 供 单 通 道 、 双 通 道和 四 通 道 三 种 封 装 形 式 , 从 而 为 设 计 提 供 了 最 大 的 灵 活 性 。 各 种 新 型 封 装 的 电 路 板 占 位 面 积 正 在 日 益 缩 小 。单 通 道 运 算 放 大 器 可 采 用 SOT23 封 装 以 及 结 构 相 似 但 外 形 更 加 小 巧 的 SC70 封 装 , 双 通 道 器 件 有 SOT23-8封 装 , 采 用 WCSP 芯 片 级 封 装 的 运 算 放 大 器 的 占 位 面 积 更 小 。 此 外 , 领 先 半 导 体 厂 商 还 在 不 断 研 发 新 的 工艺 和 封 装 技 术 以 进 一 步 提 升 运 放 产 品 的 性 能 。NSC 表 示 已 有 针 对 低 电 压 、 低 成 本 、 高 速 、 低 噪 声 、 高 集 成 度 等 不 同 需 求 所 设 计 的 五 种 制 造 工 艺 。 以 低 电压 、 低 功 耗 的 运 算 放 大 器 为 例 , 由 于 NSC 拥 有 先 进 的 CMOS/BiCMOS 工 艺 技 术 , 而 且 可 将 产 品 装 配 在 极为 小 巧 的 封 装 之 内 , 因 此 早 在 1994 年 NSC 就 推 出 首 款 采 用 SOT23 封 装 的 单 组 装 运 算 放 大 器 (LMC7101),并 在 1997 年 推 出 采 用 SC70“ 矽 尘 ” 封 装 的 运 算 放 大 器 (LMV321)。 目 前 这 两 种 封 装 已 成 为 单 组 装 运 算 放 大 器的 业 界 标 准 封 装 。为 顺 应 新 一 代 通 信 设 备 、 视 频 产 品 及 其 它 高 速 系 统 需 要 较 低 功 耗 的 趋 势 ,NSC 开 发 了 自 有 的 VIP10 互 补 双极 工 艺 技 术 , 这 是 一 种 速 度 快 而 又 以 电 介 质 绝 缘 的 互 补 双 极 集 成 电 路 工 艺 技 术 , 可 以 将 深 沟 技 术 应 用 到 压焊 圆 片 上 , 以 便 可 以 利 用 电 介 质 实 现 完 全 绝 缘 , 确 保 高 速 放 大 器 可 以 充 分 发 挥 其 性 能 。NSC 在 2001 年 推出 首 系 列 采 用 VIP10 工 艺 技 术 制 造 的 LMH 系 列 高 速 运 算 放 大 器 。电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

其 中 LMH6738 和 LMH6739,信 号 带 宽 达 到 750MHz, 可 驱动 目 前 应 用 中 的 最 高 分 辨 率视 频 信 号 , 其 应 用 包 括 LCD投 影 机 、 多 媒 体 设 备 、 视 频 会议 系 统 和 HDTV、xDSL 调 制解 调 器 以 及 机 顶 盒 等 高 速 应用 方 案 。此 外 ,ADI 公 司 也 利 用 先 进 工艺 和 封 装 技 术 积 极 开 辟 放 大器 领 域 的 新 天 地 。 该 公 司 产 品线 经 理 Curt Ventola 表 示 ,ADI将 凭 借 多 年 的 设 计 经 验 以 及XFCB( 超 高 速 互 补 双 极 型 ) 工 图 1: 高 精 度 放 大 器艺 技 术 和 WLCSP 封 装 技 术 开发 出 适 合 更 多 新 要 求 的 放 大 器 产 品 。WLCSP 是 一 种 晶 圆 级 芯 片 封 装 技 术 , 可 以 让 芯 片 面 积 与 封 装 面 积 之比 超 过 1:1.14, 绝 对 尺 寸 仅 有 32 平 方 毫 米 , 约 为 普 通 BGA 封 装 的 1/3, 仅 仅 相 当 于 TSOP 封 装 内 存 芯 片面 积 的 1/6。而 Intersil 则 采 用 互 补 BiCMOS 工 艺 技 术 制 造 新 型 系 列 运 放 产 品 。 其 中 包 括 电 流 反 馈 、 电 压 反 馈 、 精 度 运放 、 低 噪 声 运 放 和 各 种 差 分 线 驱 动 放 大 器 。设 计 人 员 一 直 在 寻 求 更 好 的 性 能 , 对 于 电 池 驱 动 系 统 , 这 通 常 表 现 在 低 功 耗 方 面 ; 而 在 工 业 、 医 疗 和 感 测应 用 领 域 , 精 度 和 噪 声 性 能 又 成 为 关 键 指 标 , 在 某 些 情 况 下 这 就 驱 使 采 用 更 小 的 几 何 工 艺 。对 于 蜂 窝 电 话 和 便 携 式 多 媒 体 应 用 , 要 求 放 大 器 具 有 小 巧 的 物 理 尺 寸 ; 兼 容 低 电 压 ; 待 机 状 态 下 具 有 最 低的 功 耗 ; 抑 制 电 源 噪 声 , 尤 其 对 蜂 窝 电 话 而 言 ; 具 有 高 效 率 , 能 提 高 电 池 使 用 寿 命 。 这 些 特 性 上 的 要 求 需要 采 用 先 进 的 亚 微 米 CMOS 或 BiCMOS 工 艺 技 术 (0.5µm to 0.18µm) 以 及 先 进 的 封 装 技 术 , 例 如 倒 装 芯片 。而 对 于 DVD 和 其 它 视 频 应 用 , 带 有 非 常 平 直 的 30MHz 带 宽 的 高 速 放 大 器 可 用 于 高 清 数 字 电 视 ; 在 视 频 放大 器 中 集 成 重 构 的 滤 波 器 , 可 以 滤 除 来 自 视 频 数 模 转 换 器 的 噪 声 ; 多 输 入 / 输 出 视 频 放 大 器 支 持 不 同 格 式 的视 频 信 号 , 这 就 需 要 采 用 双 极 或 BiCMOS 工 艺 技 术 。目 前 ST 正 以 小 封 装 形 式 提 供 低 成 本 系 列 的 宽 带 、 负 输 入 轨 和 输 出 轨 至 轨 运 算 放 大 器 。 其 TSH8x 器 件 可 满足 大 批 量 视 频 应 用 要 求 , 如 RGB 信 号 驱 动 和 切 换 , 这 些 应 用 需 要 低 成 本 的 高 性 能 信 号 放 大 和 信 号 调 节 。TSH80、TSH81 和 TSH82 分 别 是 单 运 放 、 有 待 机 模 式 的 单 运 放 和 双 电 压 反 馈 运 放 器 件 。凌 特 公 司 则 采 用 CMOS、 BiCMOS、 双 极 和 先 进 的 射 频 工 艺 技 术 , 开 发 出 各 类 放 大 器 产 品 。 例 如 该 公 司 针对 高 性 能 视 频 领 域 推 出 的 型 号 为 LT6553 的 放 大 器 , 分 辨 率 超 过 了 1600x1200 像 素 , 适 用 于 SXGA 和 UXGALCD 投 影 仪 及 监 视 器 、 扫 描 仪 , 以 及 车 载 导 航 和 车 内 视 频 系 统 等 汽 车 显 示 器 系 统 、 数 码 相 机 及 CCD 影 像电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )

系 统 。 对 于 简 单 的 多 路 复 用 和 信 号 路 由 ,LT6553 具 有 关 / 闭 功 能 , 能 够 在 50ns 内 启 动 , 适 合 扩 频 和 便 携 式应 用 。德 州 仪 器 公 司 (TI) 高 速 信 号 调 节 产 品 部 战 略 市 场 经 理 Jim Karki 表 示 ,TI 采 用 领 先 的 工 艺 技 术 可 满 足 高 速 放大 器 用 户 的 不 同 要 求 。 例 如 ,OPA727 就 是 TI 采 用 e-trim 技 术 设 计 的 高 精 度 、 高 速 12V CMOS 运 算 放 大器 , 该 器 件 属 于 其 Burr-Brown 产 品 线 。e-trim 是 TI 的 一 种 新 型 微 调 技 术 , 能 够 在 制 造 的 最 终 阶 段 对 失 调电 压 及 温 度 漂 移 进 行 校 准 。对 DSL 应 用 而 言 , 快 速 、 高 电 压 处 理 很 关 键 。 目 前 TI 正 以 新 的 工 艺 技 术 拓 展 在 该 领 域 的 能 力 以 满 足 未 来的 需 要 。TI 已 推 出 高 输 出 电 流 、 高 增 益 带 宽 的 双 运 算 放 大 器 OPA2614。 该 器 件 具 有 低 输 入 电 压 噪 声 和 低 谐波 失 真 等 特 性 , 可 为 差 动 配 置 的 DSL 驱 动 器 解 决 方 案 提 供 高 动 态 范 围 。Jim Karki 透 露 , 很 快 TI 将 发 布 更多 的 集 成 模 拟 视 频 处 理 产 品 。降 低 噪 声 与 提 高 集 成 度 是 未 来 运 放 发 展 的 瓶 颈众 所 周 知 , 噪 声 对 运 放 是 非 常 关 键 的 指 标 。 在 大 多 数 应 用 中 , 运 放 的 前 面 都 会 有 感 测 组 件 , 其 后 端 则 有 ADC与 处 理 器 , 这 些 组 件 共 同 构 成 一 个 典 型 的 信 号 传 输 路 径 。 由 于 运 放 周 边 配 置 的 外 部 组 件 会 带 来 噪 声 , 如 果运 放 本 身 的 噪 声 也 很 大 , 那 么 对 ADC 而 言 , 噪 声 将 会 淹 没 有 效 信 号 , 这 样 以 来 , 不 管 ADC 的 分 辨 率 与 频宽 有 多 少 , 它 输 出 给 处 理 器 的 就 只 有 噪 声 , 这 极 大 地 影 响 了 系 统 的 正 常 运 作 。所 以 不 管 是 通 用 型 、 低 电 压 / 低 功 耗 、 还 是 高 精 度 或 高 速 运 放 , 都 需 要 把 组 件 本 身 的 噪 声 抑 制 到 最 低 程 度 ,才 能 有 效 实 现 信 号 路 径 的 整 体 匹 配 , 达 到 最 佳 的 应 用 效 果 。此 外 , 为 满 足 日 益 丰 富 的 应 用 需 求 , 放 大 器 不 再 只 是 单 一 的 产 品 , 而 是 与 其 它 器 件 集 成 在 一 起 以 提 升 性 能与 产 品 价 值 。 例 如 在 视 频 放 大 器 中 整 合 滤 波 、 多 路 技 术 以 及 DC 恢 复 等 功 能 。而 且 , 单 一 的 放 大 器 也 需 要 集 成 更 多 特 性 。 正 如 凌 特 的 Erik Soule 指 出 , 对 运 放 而 言 , 多 重 特 性 集 成 是 很重 要 的 , 因 为 设 计 人 员 经 常 要 针 对 某 种 应 用 修 改 20 到 30 个 参 数 以 优 化 放 大 器 的 特 性 和 功 能 , 这 增 加 了 设计 复 杂 性 。 例 如 , 为 满 足 便 携 式 产 品 低 功 耗 的 要 求 , 新 的 放 大 器 技 术 需 要 减 小 电 压 和 电 流 噪 声 , 同 时 还 需要 进 一 步 降 低 成 本 , 在 更 小 的 封 装 中 集 成 更 多 的 性 能 。电 子 工 程 师 必 备 手 册 上 :《GPS 设 计 全 攻 略 》下 载 地 址 :http://www.eetchina.com/ART_8800459231_617687_96e1bd32_no.HTM电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )