《你好放大器》.pdf

杨建国 西安交通大学|2014你好，放大器 初识篇 1 目录 前言.8 1.放大器定义、分类和选择使用.9 1.1.放大器定义.9 1.2.放大器的全家谱.9 晶体管.9 运算放大器.10 运放的渊源，以及必要的数学分析.10 全差分运放的诞生.13 功能放大器.14 仪表放大器.15 差动放大器.16 程控增益放大器.17 压控增益放大器.18 隔离放大器.19 1.3.选择放大器的原则.20 2.运算放大器的关键指标详解.21 2.1 输入失调电压（Offset Voltage,VOS）.21 2.2 失调电压漂移（Offset Voltage Drift).22 2.3 输入偏置电流（Input bias current，IB）.23 2.4 输入失调电流（Input offset current，IOS）.24 2.5 关于失调和偏置的总结.25 2.5.1 0 输入时怎么计算放大器的实际输出？.25 2.5.2 易受影响的电路.27 2.5.3 如何克服它们的影响.28 2.6 噪声指标（Noise）.29 2.6.1 初识噪声.30 在时域构造一个看似混乱的波形.30 构造一个真正的噪声.31 用傅里叶变换分析噪声.32 怎样衡量噪声的大小.33 噪声的电压密度曲线.36 2.6.2 最简单的运放的噪声模型.37 2.6.3 UN_I的噪声密度及噪声有效值计算.38 1/f 噪声密度及噪声有效值计算.39 白噪声密度及噪声有效值计算.39 总噪声密度和总有效值计算.39 2.6.4 从噪声电压密度曲线中获得 C 和 K.40 K 的确定.41 C 的确定.42 2.6.5 噪声计算中频率的起点 fa和终点 fb.43 终点：等效带宽 fb.43 起点频率 fa.46 2 2.6.6 噪声的有效值和峰峰值关系.47 2.6.7 OP27 噪声计算实例.48 看 OP27 数据手册，得到关键参数.48 在已有信息中，进行初步验证.49 2.6.8 完整运放电路的噪声计算.50 运放电路噪声全模型及其输出噪声计算方法.50 电阻的热噪声.51 运放的等效输入电流噪声.52 独立噪声源的输出计算.54 2.6.9 多级放大电路的噪声计算.55 2.6.10 噪声计算总结.56 2.6.11 噪声计算中的一些有趣问题.57 2 个 1k 电阻串联，与 1 个 2k 电阻噪声一致吗.57 降低输出噪声的方法.58 先滤波还是先放大.59 低噪声设计中的技巧.60 2.7 输入电压范围（Input Voltage Range）.61 2.8 输出电压范围（VOH/VOL或者 Swing from rail）.62 2.9 共模抑制比（Common-mode rejection ratio，CMRR）.63 2.10 开环电压增益（Open-loop gain，AVO）.64 2.11 压摆率（Slew rate，SR）.65 2.12 带宽指标.66 单位增益带宽（Unity Gain-bandwidth，UGBW）f1.66 增益带宽积（Gain Bandwidth Product，GBP 或者 GBW）f2.66-3dB 带宽f3.66 满功率带宽(Full Power Bandwidth)f0.66 大小关系.66 2.13 建立时间（Settling Time）.68 2.14 相位裕度（Phase margin，）和增益裕度.69 2.15 电源电压抑制比（PSRR-Power Supply Rejection Ratio）.70 2.16 全谐波失真加噪声 THD+Noise.71 2.17 热阻（Thermal resistance，JA）和温度范围.72 3.多种多样的运算放大器.73 3.1 精密运放和高速运放.73 3.1.1 精密运放概述.73 OP07.73 低失调电压运放.74 低噪声运放.75 低供电电压运放.76 低偏置电流运放.77 低功耗运放.78 低价格运放.79 3.1.2 高速运放.80 3.1.3 查找满足条件的放大器.82 3 3.2 电流反馈型运算放大器(CFA).83 3.2.1 电流反馈型放大器的内核.83 3.2.2 基本分析方法.84 3.2.3 CFA 和 VFA 传函对比.85 3.2.4 优缺点总结.88 3.2.5 ADI 的电流反馈型放大器.89 3.3 全差分运算放大器.90 3.3.1 全差分运算放大器概述.90 优点.90 3.3.2 常见电路分析方法.91 单端输入转差分输出.91 含阻抗匹配的单端输入转差分输出.93 全差分运放的其他电路形式.97 3.3.3 ADI 的全差分放大器.100 4.使用放大器的共性问题.101 4.1 放大器的封装.101 4.1.1 关于封装的一些基本概念.101 4.1.2 PDIP 封装.102 4.1.3 SOIC-N 封装.103 4.1.4 SOIC-W 封装.104 4.1.5 MSOP 封装.105 4.1.6 TSSOP 封装.106 4.1.7 SOT-23 封装.107 4.1.8 SC70 封装.108 4.1.9 LFCSP 封装.109 4.1.10 LCC 封装.110 4.1.11 WLCSP 封装.111 4.1.12 常用管脚分布和例外.113 4.2 供电和电源去耦.114 4.2.1 给放大器供电的几项注意.114 4.2.2 怎么给放大器电源配置电容？.114 库电容.114 旁路电容.114 4.2.3 配置旁路电容器的注意事项.116 4.3 不要忽视直流通路.117 4.3.1.为什么要给放大器提供直流通路.117 几种常见的浮空源.117 4.3.1.仪表放大器不接受浮空输入.118 4.3.2.差动放大器可以接受浮空输入.119 4.3.3.全差分放大器可以接受浮空输入.119 4.4 自激振荡.120 4.4.1.自激振荡现象.120 4.4.2.根本原因.120 4.4.3.避免和消除.120 4 4.5 驱动大电容负载.121 4.5.1.能驱动大电容的运放.121 4.5.2.驱动大电容的典型电路.122 4.6 注意输入端保护.123 4.6.1.一个小故事.123 4.6.2.原因.124 4.6.3.得出的结论.125 4.7 带宽计算最基本的计算.126 4.7.1.传统估算公式.126 4.7.2.关于增益带宽积完整的要求.127 k 问题.127 k 问题变形 1.127 4.7.3.闭环增益表达式.128 4.7.4.k 问题的进一步变形和求解.129 可利用的规律.129 基于上述规律的 k 问题求解.130 4.7.5.带宽计算实例.131 4.7.6.奇怪的增益隆起.132 4.8 漂亮的布线是成败的关键.134 4.8.1.基础知识.134 英制单位.134 PCB 走线和铜导线的电阻.134 PCB 走线的电感量.135 PCB 走线与地层的电容量.135 4.8.2.布局原则近、顺.136 4.8.3.走线原则短、粗、远、滑.136 4.8.4.反馈支路背面挖空.137 4.8.5.尽量不要自动覆铜.137 4.8.6.多看，多悟，少记.137 5.典型放大电路分析.138 5.1 单电源线性变换电路.138 5.1.1.交流耦合.138 同相电路一.139 同相电路二.140 同相电路三.141 反相电路.142 5.1.2.直接耦合.143 同相增益大于 0.5.143 同相增益小于 0.5.145 反相.146 5.2 电流源电路.147 5.2.1.Howland 电流源.147 5.2.2.利用差动放大器实现的电流源.149 图 5-7 电路分析.149 5 图 5-7 优缺点分析.149 5.2.3.改进电路.150 5.2.4.用晶体管增加输出电流.150 5.2.5.以 RSENSE为核心的电流源一.151 5.2.6.以 RSENSE为核心的电流源二.152 5.2.7.用仪表放大器实现的电流源.153 5.2.8.低压高效电流源.154 设计要求.154 方案一.154 方案二.156 5.3 电流检测.159 5.3.1.检测电流的基本方法.159 5.3.2.低侧还是高侧？.159 5.3.3.分流电阻.160 5.3.4.运放检测电流.161 5.3.5.差动放大器检测电流.163 差动放大器高侧电流检测电路一.163 AD628 可承载 110V.164 AD629 可承载 280V，AD8479 可承载 600V.165 5.3.6.电流检测放大器.166 AD8208 之架构猜想.166 AD8211 之架构猜想.168 ADI 的电流检测放大器.170 ADI 电流检测放大器的应用电路.171 5.4 单端转差分电路.172 5.4.1.基本电路.173 5.4.2.交叉反馈电路.174 5.4.3.全差分运放和变压器驱动.175 5.5 复合放大电路.176 5.5.1.串联型复合放大电路.176 题目要求.176 常规电路遇到的问题.176 串联型复合放大电路.178 5.5.2.并型复合放大电路.180 题目要求.180 并联型复合放大电路.180 并联型复合放大电路工作原理.181 6.仪器使用、焊接、调试和撰写报告.183 6.1 仪器使用基础.183 6.1.1.正确连接仪器和电路板.183 构建正负电源输出.183 给电路板供电.184 连接信号源和示波器.184 6.1.2.电源基础.185 6 直流稳压电源，是理想电压源吗？.185 基准电压源.186 谨慎使用基于电源的输入端保护电路.187 6.1.3.信号源设置与示波器观察为什么不一致？.188 6.2 学会使用示波器.189 6.2.1.示波器的重要性.189 6.2.2.示波器能干的，以及不能干的.189 6.2.3.注意数字示波器的混叠现象.190 6.2.4.利用示波器观察地线.191 6.2.5.关于探头.191 多种探头的选择使用.191 注意探头的频率特性.192 保护探头.192 6.2.6.灵活使用示波器的触发.193 数字示波器的触发显示原理.193 释抑.194 功能强大的数字触发.195 6.2.7.数字示波器的其它有用功能.198 中央扩展和底部扩展.198 6.2.8.使用双通道同时测量.199 6.2.9.数字示波器的自动功能.199 6.3 焊接基础.200 6.4 故障排查的基本技巧.201 6.4.1.故障排查的基础.201 熟练使用常用仪器.201 熟悉目标电路.201 良好的故障排查心态.201 正确的故障排查策略.201 6.4.2.排查故障中合理使用仪器.202 6.4.3.故障出现后的关键几分钟.202 6.4.4.保护故障现场.203 6.4.5.故障定位故障排查的核心.203 6.4.6.故障定位的常见方法.204 顺序探测法.204 关键点探测法.204 分块定位法.205 替换法.206 6.4.7.故障排查次序.207 6.4.8.故障排查实例一：两片 ARM 烧毁的教训.207 6.4.9.故障排查实例二：诡异的短路故障.209 6.5 撰写漂亮的报告.211 6.5.1.态度端正.211 第一，写出来的都是真的.211 第二，存在的实验都是可重复的.211 7 第三，完整表达了意思。每次、不同人读完，得到的信息是相同的。.212 6.5.2.报告组成.213 题目和摘要.213 正文.213 参考文献.214 6.5.3.构建标题框架.215 6.5.4.图题、表题.215 6.5.5.公式.215 6.5.6.制表技巧.216 6.5.7.绘图技巧.217 6.5.8.常见错误.218 常见的语法和文字错误.218 撰写禁忌.218 语气禁忌.218 后记.220 8 前言前言 让人魂牵梦绕让人魂牵梦绕的东西，的东西，都都具备三个特点：有难度、能实现、你喜欢。下具备三个特点：有难度、能实现、你喜欢。下棋、足球、打游戏棋、足球、打游戏追你心仪的对象追你心仪的对象，但凡但凡你能说得出来的，基你能说得出来的，基本都如此。本都如此。趁着年轻趁着年轻，为自己找个，为自己找个兴趣所在吧兴趣所在吧，最好，它还能养家糊口。，最好，它还能养家糊口。放大器，就具备前两个放大器，就具备前两个特点特点。这本书，只想让你喜欢它。这本书，只想让你喜欢它。而现在，而现在，你拿起这本书的时候，你拿起这本书的时候，可能是种类繁多可能是种类繁多、秉性迥异，但青春健、秉性迥异，但青春健朗、招人怜爱朗、招人怜爱的放大器，第一次的放大器，第一次，如此端庄地站在你的面前如此端庄地站在你的面前，笑容可掬，笑容可掬。好吧好吧很高兴认识你。很高兴认识你。你好你好，放大器，放大器。本文出现的截图，除特殊标注外，均来自于图中显现的 ADI 公司相关芯片的数据手册，不再一一标注。本书出现的统计表格，数据基本来自于 ADI 公司可下载的表格对其中某些无数据的地方，我进行了填充。但不保证完整。所有与设计相关的数据，请参考 ADI 公司官网。除 4.8 节参考了 ADI 公司的 Linear circuit design handbook/edited by Hank Zumbahlen;with the engineering staff of Analog Devices.其余内容包括指标定义，均为作者根据自己的理解撰写，不涉及参考文献。感谢 ADI 公司大学计划部为本书提供的资助，感谢他们答应了我的要求客观公正的讲述，不带有广告色彩。9 1.放大器定义、分类和选择使用放大器定义、分类和选择使用 1.1.放大器定义放大器定义 电学中能够实现信号、功率放大的器件，称为放大器，英文为 Amplifier。以放大器为核心，能够实现放大功能的电路组合，称为放大电路。在很多情况下，放大器和放大电路被混淆。严格说，放大器是一个器件，device，比如一个 3 管脚的晶体管或者一个 8 管脚的运算放大器，这都是放大器。而放大电路是这些器件加上电阻电容、线路板或者导线焊接到一块儿的，是一个组合。虽然我能够分清这些，但有时我也乱用。其实，大可不必为此纠结，你愿意怎么叫就怎么叫吧。多数人分不清楚的东西，你分那么清楚干什么啊？1.2.放大器的放大器的全全家谱家谱 全部放大器被分为三种：晶体管放大器、运算放大器和功能放大器。除此之外，世上还存在电子管放大器，只在特殊领域比如高级音响中使用。这个我不懂，从我读书时，就没有见过这古老的家伙了。晶体管晶体管 晶体管分为两类：双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor-BJT，分为 NPN 型、PNP 型）、单极型晶体管（也称场效应管，Field Effect Transistor-FET）。其中场效应管还分为 JFET 和 MOSFET，就是结型管和金属氧化物管，它们都有 N 沟道和 P 沟道之分。从符号看，晶体管可以画成 8 种，双极型 2 种，单极型 6 种，如图 1-1 所示。所谓的双极型晶体管，是指这种晶体管内部，既有电子运动形成电流，也有空穴运动形成电流，一个多，称多子，一个少，称少子，两者的运动方向相反，飞向两个不同的“极”。而所谓的单极型晶体管中，只有空穴或者只有电子运动形成电流，只有多子存在，飞向单一的“极”。晶体管可以组成常见的共射(源)级、共基（栅）极、共集电（漏）极放大电路，以及类型多变的多级放大电路。学过晶体管放大电路的同学们，或多或少都会感到晶体管及其放大电路的复杂。从静态工作点开始，到微变等效电路，再到增益计算、输入电阻、输出电阻计算，还有频率特性，要想完成一个各项指标满足要求的放大电路，可不是一件容易的事情。虽然这个放大电路使用的器件很便宜，电阻电容数量也不是很多，但是复杂的计算限制了这种放大电路的推广。1960 年代是一个电子技术爆发的年代，集成电路的问世引发了一系列雪崩式的发展。科学家们在“如何让更多用户简单使用放大器”这个问题上，给出的答案是：设计一种傻瓜型放大器，结合负反馈理论，很简单就可以组成一个放大电路，其增益设计也极为简单。这就是运算放大器Operational Amplifier.10 运算放大器运算放大器 运算放大器又称运放，其实就是一个差分输入、多级、直接耦合、高增益放大电路（通常大于 10000 倍），用集成电路工艺生产在一个单芯片集成电路中。它有两个差分输入端，一个或者两个输出端，两个供电电源端。运放的渊源，以及必要的数学分析运放的渊源，以及必要的数学分析 设计并生产一种指定增益的放大器，并把它封装在一个集成电路中，形成傻瓜型应用，对集成电路生产商来说，是极为简单的。但是，困难的是，厂商得准备多少种增益选择呢？从 1 倍开始，1.1，1.2，要不要准备 1.05 倍呢？数学家早已解决了这个问题。按照负反馈理论，集成电路生产商只需要生产满足如下要求的集成放大器，称之为运算放大器，即可实现用户的一切要求：1）运放的开环增益非常大，即图 1-2 中uo很大。2）运放的输入端没有电流，即运放具有极高的输入阻抗。图 1-2(a)是一个满足要求的运放，但它几乎不能正常使用。因为开环增益实在太大了，输入信号得多么小，才能让输出稳定呢？图 1-2(b)把输出端通过两个电阻分压，引回到了负输入端，形成了负反馈。根据数学家要求的条件，有下式成立：=uo()=22+（1-1）两个独立的方程，三个未知量，可以解得任意两个未知量之间的关系，得到 uf=uo1+uo22+（1-2a）=uo22+uo2 （1-2b）Us RF R2 Ro Auo R1 Ux Uo(1+RF/R2)Us Auo Us Uo=Auo Us 图 1-2 运放结合负反馈的魅力：从开环到闭环应用(a)：开环应用(b)：闭环应用含负反馈 11 晶体管 双极型 运算放大器 功能放大器 单极型 JFET MOSFET NPN 增强型 耗尽型 耗尽型 N 沟道 P 沟道 N 沟道 P 沟道 N 沟道 P 沟道 PNP g d s g d s b c e b c e g d s b g d s b g d s b g d s b 标准运放 全差分运放 V-V+VOCM IN+IN-OUT+OUT-IN+IN-OUT V+V-仪表放大器 差动放大器 电流检测放大器 程控增益放大器 压控增益放大器 隔离放大器 对数放大器 跨导/跨阻放大器 图 1-1 放大器全家谱 12 其中uf称为闭环增益，就是运放组成负反馈电路后的电压增益。当uo很大时，得到 uf2+2 （1-3a）（1-3b）式(1-3a)说明，当满足数学家提出的条件后，该负反馈电路的增益仅与外部电阻 R2、RF有关，而与实际运放的开环增益uo没有什么关系。这太好了，运放生产商可以甩开膀子大干了，管它uo具体多大呢，只要足够大就可以了。用户想要多大的增益，你自己选择合适的电阻就可以了。式（1-3b）说明，运放在这种情况下，同相输入端加载的是信号 Us，那么反相输入端呈现出的电位就一定非常接近于 US，即 UIN-约等于 UIN+，这就是我们常说的“虚短”。从电位上看，运放的两个输入端等电位，似乎短接一般。请千万注意，“虚短”不是运放本身的特性，而是深度负反馈导致的必然结果。为了更直观，我们假设 R2=1k，RF=3k，然后看看 Auo从 10 变到 1000000，闭环增益和虚短情况。表 1-1 开环增益对负反馈放大电路的影响 Auo 式（1-3a）估算 Auf 式（1-2a）计算 Auf 式（1-3b）估算 Ux 式（1-2b）计算 Ux 10 4 2.857142857 US 0.714285714 US 100 4 3.846153846 US 0.961538462 US 1000 4 3.984063745 US 0.996015936 US 10000 4 3.99840064 US 0.99960016 US 100000 4 3.999840006 US 0.999960002 US 可以清晰看出，随着uo越来越大，使用式(1-3)得到的估算结果，与使用式(1-2)得到的精算结果，越来越接近。从 1960 年代中期第一颗运放 A709 诞生至今，负反馈理论就一直伴随着运放的应用。图 1-2（b）电路中，用户需要的指标都可以简单实现：1）闭环电压增益约为 1+RF/R2，用户自己选择电阻实现。2）输入阻抗等于 R1。3）输出阻抗等于 Ro。在那个辉煌的年代，诞生了很多关于运算放大器的故事。让我们记住几个名字，第一家推出运放的公司：Fairchild美国仙童公司，设计第一款运放 A709 的，桀骜不驯的Robert J.(Bob)Widlar。此后几十年至今，各个公司兴衰轮回，设计者各领风骚，营造了一个庞大的半导体模拟世界。向他们致敬。13 全差分运放的诞生全差分运放的诞生 后来，在这种标准运放的基础上，科学家又研制了另外一种运放，称为全差分运放，它有差分输入脚 IN+和 IN-，差分输出脚 OUT+和 OUT-，除此之外还有一个输入脚，称之为 VOCM。如图 1-3 所示，它们之间的关系如下：OUT+OUT=uo(IN+IN)(1-4)OUT+OUT2=OCM (1-5)式(1-4)很容易理解，与标准运放的差别仅在于全差分运放的输出也是差分的。即差分输出值等于差分输入值乘以一个很大的开环增益uo。式(1-5)是一个新概念，当你在 VOCM端接入一个电压，那么差分输出的两个端子的共模电压（即两个差分输出信号的平均值）将等于你输入的 VOCM。这可以理解为，两个差分输出端子，将围绕着输入的 VOCM波动。这个功能将常用于输出电平的移位。利用与标准放大器中式（1-1）到式（1-3）完全相同的分析方法，可以准确求解出输出。但为了避免大家早早地厌烦，我们先休息一下，第 3 章会帮大家分析的。为了区别这两种运放，2 入 1 出的可以称为标准运放，2 入 2 出的可以称为全差分运放，当然，大多数人还是把标准运放直接称为运放。至此，有了标准运放和全差分运放，结合负反馈理论，已经完全可以应对几乎所有的放大问题。几十年来，科学家和工程师们以标准运放和全差分运放为核心，设计并实践了成千上万种电路，任何一本书都难以把它们囊括在内。但是，生产商为了他们的利益，当然也是为了用户的方便，又开发出了很多种功能放大器。V-V+VOCM IN+IN-OUT+OUT-V-V+UOUT-Us R1A UOUT+UIN+UIN-R1B R2B R2A VOCM 图 1-3 全差分运放以及全差分运放组成的单端转差分放大电路 14 功能功能放大器放大器 如果某个以运放为核心的放大电路，非常常用，生产厂家就会考虑把这个放大电路（包括运放和外围电阻）进一步集成，提供给用户。这就是功能放大器。比如我们要设计一个放大电路，实现 Uo=Ui1-Ui2。使用运放可以给出图 1-4(a)所示的电路。但是，在实现过程中，用户可能遇到 4 个电阻不好匹配的问题，而这个电路又是很常见的，于是集成电路生产商（比如 ADI 公司）就把这个电路集成在一个叫做 AD8276 的集成电路中，这就是一种功能放大器，被称为差动放大器Difference Amplifier。当然，这一种放大器内部的电阻有像 AD8276 一样的，是 1:1 的，也有 1:10，1:5，1:2的，型号也就不同。这取决于哪种电阻匹配是较为常见的。这就是所有功能放大器诞生的基础：功能很常见，用户自己做没有厂家做得好。功能放大器种类很多，常见的有以下几种：40k Uo OP07 40k 40k 40k Ui1 Ui2 图 1-4 根据减法器需求演变出的功能放大器之差动放大器(a)减法器电路(b)可以方便实现减法器功能的 AD8276 15 仪表放大器仪表放大器 高阻差分输入，输出有单端的，也有差分的，增益一般可以用一个外部电阻，由用户选择设定。常用于仪器仪表的最前端，和传感器直接接触。仪表放大器内部通常具有 2 个或者更多的运放，最典型的是 3 运放结构。其它的还有2 运放结构、电流镜结构、飞电容结构等。仪表放大器具有极高的共模抑制比对信号的差值极为敏感而对共模量不敏感，还有极高的输入阻抗。但是它的输入管脚有工作限制：第一不得悬空，第二不能承载太高的电压。关于仪表放大器更多的细节，我会在后续文章中细说。图 1-5 左边是 ADI 公司生产的 AD8221 管脚图，可以看出它有两个输入端-IN 和+IN，一个输出端 VOUT，2 脚和 3 脚之间需要用户连接一个电阻，以决定仪表放大器的电压增益。图 1-5 右边电路中给出了 AD627 的电压增益公式，电阻 RG越小，增益越大。图 1-5 右边电路中，电阻桥组成的传感器感知被测信息，产生 VDIFF，以电压差的形式反映被测信息，AD627 的两个输入端有极高的输入阻抗，几乎不会从传感器侧取用电流，因此传感器输出阻抗的变化不会带来额外的影响，保证 VOUT=VREF+GVDIFF。图 1-5 仪表放大器及其常见应用电路 截图于 A Designers Guide to Instrumentation Amplifiers 3RD Edition/by Charles Kitchin and Lew Counts/Analog Devices,Inc.2006 16 差动放大器差动放大器 由一个运放和若干个激光校准电阻对集成在一起的电路，而其中的电阻值选择均以容易形成差动放大器为目的。多数如 AD8276 一般，包含 4 个激光校准的电阻，也有 5 电阻、6 电阻甚至更多电阻的，主要用于信号减法（比如电流检出）、精确增益、信号的差分转单端、电平移位等。生产厂家提供各式各样的差动放大器，主要目的是给用户提供高质量运放和激光校准电阻对的组合。用户更看重的是那几个精密匹配的电阻。以图 1-6 所示的 AD8270 为例，可以看出它内部由两个独立的差动放大器组成，每个差动放大器都有 7 个电阻，用户可以在芯片外部对它们进行合适的连接，以实现不同的功能。图 1-6 仅是一种连接方式，作为一个 AD 转换器 AD7688 的前级驱动电路。除此之外，如果你想实现一个单纯的减法电路 U15=U+IN-U-IN，可以把 1 脚、5 脚、6 脚悬空。要实现 U15=0.5(U+IN-U-IN)，可以把 4、5、6 脚都接地，1 脚和 15 脚接到一起。要实现 U15=2(U+IN-U-IN)，可以把 1 脚和 2 脚接在一起，3 脚 4 脚接在一起，5、6 脚接地。此时你应该明白，AD8270 外围的 7 个电阻为什么选择这样的阻值了吧众多的排列组合，可以实现多种功能。关于差动放大器更多的细节，我会在后续文章中细说。图 1-6 差动放大器 AD8270 的一种应用驱动 ADC 17 程控增益放大器程控增益放大器 放大器的增益可以由用户通过数字信号设定，或者说可以用处理器程序实施设定，因此叫 Programmable，可程控，或者叫 Digital Controlled Variable Gain Amplifier。通常缩写为 PGA 或者 DVGA。程控增益放大器的增益设定，有多个管脚配合设定 2 进制增益的，也有通过数字通信接口给放大器写入命令的。主要用于被测信号幅度变化较大且不可事先预知的情况：程控增益放大器的输出经过ADC 进入处理器中，处理器分析所得数据，如果发现信号变化范围太小，可以发出指令，用程序增大 PGA 的增益，如果信号变化范围过大，可以用程序实现增益的缩减，最终使得放大器处于随时可调的最佳增益状态。ADI 公司生产的程控增益放大器主要分为两类：低频段的精确增益型，以及高频段的。图 1-7 是低频段的 AD8231 和高频段的 AD8366。低频段追求精确增益以及其他优秀的直流性能，AD8231 靠三根线实现 8 种增益 1倍、2 倍、128 倍，15V 失调电压，G=1 时仅有 0.08%的增益误差。但是它的带宽只有 2.7MHz。AD8366 的-3dB 带宽可以达到 600MHz，平坦区可达 100MHz 以上。但是它的增益准确度只有 0.25dB，约为 0.971.03，3%的误差。AD8366 的增益控制很灵活，可以单独控制 2 路中的一路，也可以同步控制；可以并行控制，也可以用 SPI 实施串行控制。AD8231 内部是一个可以改变增益的仪表放大器，因此它既是程控增益放大器，又是仪表放大器。AD8366 图 1-7 AD8231 和 AD8366 18 压控增益放大器压控增益放大器 放大器的增益由外部施加的电压 VG连续控制。ADI 公司称之为 Variable Gain Amplifier,VGA。有 dB 线性和 V/V 线性两种。有的是正控制VG越大，增益越大；有的是负控制VG越大，增益越小。用途很广泛。其中一个主要应用是自动增益控制 AGC。有些芯片为此还内嵌了输出有效值检测环节，以直流电压表征输出幅度，此电压如果回送到负控制的压控增益放大器的VG脚，可以方便实现 AGC 功能输入幅度大范围改变时，输出幅度几乎不变。录音笔中一般都具备这种功能：距离说话者远也罢、近也罢，录下的声音大小几乎是一致的。dB 线性：以 dB 为单位的放大器增益，与控制电压 VG成线性关系。即每相同的控制电压增量，获得相同的以 dB 为单位的增益改变。此类用途更广，芯片种类也多。V/V 线性：电压增益（倍数，即 V/V），与控制电压 VG成线性关系。即每相同的控制电压增量，获得相同的增益倍数改变。AD602 是一款应用较为广泛的独立双通道压控增益放大器。每个通道由压控衰减环节、固定增益环节级联组成，差分输入的 C1HI 和 C1LO 作为控制电压 VG，可实现-10dB30dB 的 dB 线性，DC35MHz 的压控增益放大。AD8367 功能更为强大，500MHz 内实现-2.5dB42.5dB 的 dB 线性压控放大，且正、负控制靠 MODE 脚设定，内嵌输出有效值检测。图 1-8 AD602 和 AD8367 19 隔离放大器隔离放大器 实现放大器输入信号与输出信号之间的电气隔离。实现方法有三类：变压器型、光电耦合器型、电容型。ADI 的产品主要是变压器型。如图所示是 AD202，一款我念书时就存在并持续发售的隔离放大器。左边是信号输入区域，右边是输出区域，两个区域是完全隔离的，仅能通过上部的信号变压器、下部的电源变压器实现信号和能量的传递。两区域之间的隔离电压可以高达 2000V。信号通路为：左侧有一个独立的运放（图中左上角），以及随后的调制环节，把低频信号变成 25kHz 的调制信号，通过隔离变压器传递到右侧，随后解调输出。为了实现隔离，还需要给信号输入侧提供单独的隔离电源。AD202 图中下部是能量传递，由右侧给左侧提供电力。这为用户提供了方便。但是，这种电源即图中的 7.5V，一般仅能提供微弱的电力。需要特别注意的是，隔离放大器只能放大低频信号，像 AD202 只有 2kHz 的带宽。20 1.3.选择放大器的原则选择放大器的原则 要实现某个要求确定的放大电路，到底该选择晶体管、运放还是功能放大器呢？为了陈述方便，我们先定义晶体管放大器为最低级，功能放大器为最高级。任何一个运算放大器或者功能放大器，内部都以若干个晶体管为主组成，所以，要实现某个放大电路，如果高级放大器能够实现，那么低级放大器也一定能够实现。比如一个仪表放大器，用三个独立的运放加一些电阻就可以实现，虽然性能可能会差点。如果你愿意，用好多个晶体管也可以自己搭出来，毕竟那些运放内部就是一堆晶体管的集合。但是，反过来是不成立的。用一些晶体管实现的某个放大电路，你可能找不到合适的运放，或者合适的功能放大器来替换它们。因此，实现同样的某个放大功能，用户可能面临多种选择。选择放大器有以下原则可以遵循：1）没有一成不变的原则，所有选择都是因事而异、因时而异的。2）一般情况下，多数人选择的，或者大的芯片生产商提供的选择，是正确的。请初学者特别注意，收集各大芯片生产商的应用手册、实验室电路，以及数据手册中给出的应用实例，对迅速开展设计，是非常有效的。3）一般情况下，如果能够采用合适的高级放大器，就不要选用低级放大器。4）不要迷信。有人以全分立为荣用晶体管实现超级复杂的电路，以彰显自己的水平高；有人抨击分立元器件，以使用最新出品的高级功能放大器为荣，似乎自己见识渊博。这些都不好。心态平和的，该用什么就用什么，是最为合适的。21 2.运运算放大器算放大器的的关键关键指标详解指标详解 不懂指标，就不要奢谈对放大器的理解，也无法用好放大器。它看起来非常枯燥，但是却深不可测，回味无穷。运放的指标种类很多，有表格陈述的，也有图陈述的；而且各大芯片生产商在某些指标上也有自己的名称和定义，并不完全相同，仅仅是 ADI 公司运放的全部指标，就足以占据本书的大部分篇幅。因此，本书仅对 ADI 公司运放的一些关键的指标进行较为详尽的解释。这一章，无论如何，硬着头皮也要细读。特别是噪声部分，只有嚼碎，才知味道。2.1 输入失调电压（输入失调电压（Offset Voltage,VOS）定义：在运放开环使用时，加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为 0。也可定义为当运放接成跟随器且正输入端接地时，输出存在的非 0 电压。优劣范围：1 V 以下，属于极优秀的。100 V 以下的属于较好的。最大的有几十mV。理解：任何一个放大器，无论开环连接或者反馈连接，当两个输入端都接地时，理论上输出应该为 0，但运放内部两输入支路无法做到完全平衡，导致输出永远不会是 0。此时保持放大器负输入端不变，而在正输入端施加一个可调的直流电压，调节它直到输出直流电压变为 0V，此时正输入端施加的电压的负值即为输入失调电压，用 VOS表示。但是，多数情况下，输入失调电压不分正负，生产厂家会以绝对值表示。任何一个实际运放都可理解为正端内部串联了一个 VOS，然后进入一个理想运放，如图 2-1 所示。如左图，正端引入一个-VOS，则输出为 0，符合标准定义。如右图，跟随器正端接地，实际输出即为 VOS，也符合标准定义。后果：当一个放大器被设计成 AF倍闭环电压增益（同相输入放大增益，也称噪声增益）时，如果放大器的失调电压为 VOS，则放大电路 0 输入时，输出存在一个等于 AFVOS的直流电平，此输出被称为输出失调电压。闭环增益越大，则输出失调电压也越大。对策：如果被测信号包含直流量且你关心这个直流量，就必须选择 VOS远小于被测直流量的放大器，或者通过运放的调零措施消除这个影响。如果你仅关心被测信号中的交变成分，你可以在输入端和输出端增加交流耦合电路，将其消除。调零方法：有些运放有两个调零端，按照数据手册提供的方法接电位器调零即可。对没有调零端的运放，可采用外部的输出调零或者输入调零，有标准电路可以参考。VOS VOS VOS Uo=0 Uo=VOS 图 2-1 对运放输入失调电压的图解 22 2.2 失调电压漂移（失调电压漂移（Offset Voltage Drift)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。因此，有三种漂移量存在：1）输入失调电压变化相对于温度变化的比值。是指定温度范围内的平均值，以 V/C为单位，用符号 VOS/T 或者 dVOS/dT 表示。2）相对于时间的比值，以 V/MO 为单位，含义是每月变化多少微伏。没有明确的符号，通常用文字表示。本文暂用 dVOS/dMO 表示。3）相对于电源电压变化的比值，以 V/V 为单位，含义是调好的放大器，当电源电压发生 1V 变化，会引起失调电压的变化。没有明确的符号，常用文字表示。此数值在很多放大器数据手册中没有体现。优劣范围：0.002 V/C 到几十 V/C。理解：失调电压漂移量，与数据手册上标注的失调电压（或称之为初始失调电压）本身有密切关系。初始失调电压小的，其漂移量也小。从多种放大器手册指标看，有以下规律：1）