模拟前端学习指南课件.ppt
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1、模拟前端学习指南杨建国2009-06目录 器件简介 放大器关键参数解读 常见电路和应用场合 器件选择的基本原则 模拟前端的设计和调试方法器件简介(一):通用运放 除廉价外,没有任何最优指标的运放。A741,LM324,TL084,LM358,NE5532等。有单一运放、双运放、四运放等形式。有不同的封装类型。器件简介(二):高速运放 主要表现在GBW,SR较大。有电流反馈型和电压反馈型两类。电流反馈放大器的优点是,具有更高的压摆率,其增益和带宽是独立的,无“频率越高,增益越小”的限制。电流反馈放大器的稳定性较差,不能做成常见的跟随器设计,需要缜密的稳定性设计。器件简介(三):高精密运放 低噪声
2、运放 主要表现在Vn指标较小。1nV20nV/Hz10kHz 噪声计算在器件参数解读中讲解。噪声是固有的,随机的,本身无法消除的。在放大小信号时,必须选用低噪声运放。OPA211器件简介(三):高精密运放 高阻(低输入偏置电流)FET输入较好 提供很小的输入偏置电流,0.1pA10pA。OPA129,0.1pA OPA337,10pA 用于精密电流检测,以及其它需要低偏置电流的场合。器件简介(三):高精密运放 低功耗 主要表现在静态电流Iq较小上。OPA369,1.1uA静态电流Iq TLV2401,0.95uA 一般低功耗运放,其它指标相应较差。器件简介(三):高精密运放 低失调电压运放 有
3、两个指标对此重要,VIO,一般为1uV以上,Offset Drift,0.01uV/失调是运放本身存在的,但是外部可调。温漂却很难控制。器件简介(三):高精密运放器件简介(三):高精密运放 宽带 与高速运放相比,速度较低,一般在150MHz以下,但失调和噪声更小。型号GBW(MHz)SR(V/us)VIO(mV)Offset Drift(uV/C)Vn1kHz(nV/Hz)价格OPA3011508052.53$1.6OPA36550250.2113$0.95OPA435344228518$2.9器件简介(三):高精密运放 轨至轨(Rail to Rail)输入电压,特别是输出电压可以与电源电压
4、(像轨道一样约束着)非常接近,几乎达到满电源输出。分为RRI,RRO,RRIO三类,一般不单独归类。在低压供电中非常有用。器件简介(四):差动放大器 抑制共模,放大差模,提高CMRR 标准减法电路即可,但对称性非常关键 集成产品解决对称性问题 可以2/3输入(放大),也可5/1输入(衰减)。优点 左边的放大,下面的衰减。下面的可以承受高的共模电压。UidUicUidUicUoutUid(10k/100k)缺点 输入电阻较小 增益难以调节,固定的10倍或者0.1倍。仪表放大器应运而生。器件简介(五):仪表放大器 在差动放大器的前端增加跟随器,形成典型的三运放结构。增益可通过外部电阻调节;输入电阻
5、很高;极高的CMRR。不能接受太高的共模电压。自归零技术,使得输入偏置电压很低,25uV;输入端内部具有射频抑制;较高的共模抑制比100dB;输入电阻很高,增益在11000之间可调。器件简介(六):全差动放大器 输入有两种,单端和差动,输出也有两种,单端和差动。单出双出单入一般运放电路(全差动)双入仪表/差动全差动 用于入出类型转换,以及纯差动信号链中。广泛用于高速差分ADC的前端。注意VOCM,共模电压输入,可以悬空,也可以由ADC等提供,其含义是通过此脚电压输入,控制输出差动信号的共模量。器件简介(七):电流并联检测器 电流检测的方法有直接法和间接法两种。间接法利用霍尔传感器,一般测大电流
6、。直接法将一个电阻串在回路中,并联测量其电压差以表征电流。有高端检测(High Side)和低端检测(Low Side).High SidemonitorLow Sidemonitor器件简介(七):电流并联检测器 低端检测用一般的精密放大器即可。但对被测的负载影响不容忽视,因为其“GND”不再稳定。高端检测不影响GND,但面临的问题是,可能遇到很高的共模电压,因此有专用的电流检测器来克服这个困难。一般用毫欧姆欧姆级的专用电阻。MSP430器件简介(八)可编程增益放大器PGA 一般具有归整的增益,常见有1、2、4、8128,或者1、2、5、10、20 有并行控制的,有串行控制的,基本都能与现有
7、控制器很好的对接。器件简介(九):压控增益放大器器件简介(十):集成滤波器 与运放组成的滤波器相比,集成滤波器优点:方便。准确。一般不需要用户选择电容设定参数靠频率或者电阻。体积小,各模块参数一致性好,更易形成相同截止频率的高阶滤波器。可控性较好。缺点:有些存在频率噪声,对小信号滤波不利;价格较高;灵活性有时较差。外部器件设定截止频率型非程控;Pin programe数字量设定频率型程控;Clock programe频率控制截止频率型程控;continuous-time型无需CLK,开关电容型需要fCLK 这两个都是continuous-time型,no clock in,no clock n
8、oise。每个都有2组/4组二阶滤波器组成。串联可以形成4阶或者8阶的滤波效果。274具有4组,但FC脚只有一个。275具有2组,有2个独立的FC脚。所有的频率点,Q值,都由外部电阻设置。一般截止频率上限为150kHz300kHz,下限是100Hz。第2讲 半程控,当外接振荡源改变fclk时,如果RC参数不变,则引起Q改变。COSC可以接外部振荡源fclk,也可接电容内部产生fclk.截止频率fcfclk/(100,200,400可选,取决于D()接V+,GND,V-)上面的RC决定滤波幅频特性的形态,一般选1/2RC=1.62fcUniversal/Pin和R共同控制。CLOCK控制型 这类
9、纯CLOCK型,为低通,有不同的滤波类别和阶数。一般为8阶、5阶。含巴特沃思、切比雪夫、贝赛尔、椭圆等。器件简介(十一):模拟乘法器 实现两个模拟电压的相乘关系。AD633:W=0.1*(X1-X2)*(Y1-Y2)+Z看懂数据表参数和图 不细致看Datasheet就直接使用芯片,是一个坏习惯。上图输出振荡,为什么呢?220220110UiUoOP37看懂数据表 数据表一般由6部分组成 短句总结 概括页(关键指标,一般描述)参数表(厂家在特定条件下测得)指标图 应用(应用场合、典型电路)封装(制板、购买)要学会看,看完要有感觉看懂数据表概括页 可以了解60的信息,初步确定是否符合。主要陈述芯片
10、最大的特点。有些指标,出于商业化考虑,厂家在概括页给出的数据是最优数据,不能全信。不同公司对指标的叫法不同,要理解。看懂数据表一般参数(TL081)看懂数据表一般参数(TL081)看懂数据表一般参数(OP37)看懂数据表一般参数(OP37)看懂数据表讲解关键参数 VOS(VIO)OP37:1030uV,TL081:3mV Input offset voltage输入失调电压 加载在两个输入端之间的电压使得静止输出电压为0或者指定的其它电平。是器件开环下的参数。VIO OP37:0.20.4uV/,TL081:18uV/Average temperature coefficient of inp
11、ut offset voltage 输入失调电压平均温度系数 输入失调电流变化相对于气温变化的比值。是指定温度范围内的平均值,用V/表示。一般调零方法:在调零电位器的配合下,将输入信号设为0(一般是将输入端接地),调电位器使得输出为0。不同的运放,其调零电路可能不同,主要区别是接-Vcc还是Vcc;5/8脚电位器值,datasheet上有。看懂数据表讲解关键参数 噪声指标 有两个指标与噪声有关 Vn等效输入噪声电压 In等效输入噪声电流 其中Vn对输出含有的噪声贡献较大。Vn由两个参数及完整的噪声密度图组成,一个是某一范围内的噪声值,单位uV。一个是某处的噪声密度,用nV/Hz表示。最终的Vn
12、由复杂的关系式计算获得,后面讲。看懂数据表讲解关键参数 噪声指标 要计算输出噪声幅度,先计算e1,e2 当得不到C时,直接取给定值4uVpp,除以6.6得到有效值e1 Vn=(e12+e22)0.5 一般,e2影响更大。rmsndCLVkHzkHzHznVffeGe10810100)/18(20122rmsabCLVffCGe*)ln(1看懂数据表讲解关键参数 知道Vn(有效值)后,乘以6.6倍或者6倍,即可得到输出噪声峰峰值(99.7)看懂数据表讲解关键参数下表是低噪声OP37的指标和图。e1峰峰值为80nVpp,即80/6.6=12.12nVrmse1计算值为12.876.684nVpp厂
13、家给出的指标中,均未计算闭环增益,在实际应用中,必须在e1和e2中乘以闭环增益G,才能得到输出噪声幅度。rmsabnVHzHznVffCe87.12)1.010ln(6)ln(1看懂数据表讲解关键参数 放大电路输出噪声计算总结 确定闭环增益GCL;确定放大电路的上限工作频率f2;根据运放的噪声曲线,确定转折频率f1,确定平坦区噪声密度end,计算e2,单位是有效值。有两种方法确定e1 如果能从运放datasheet中获得1Hz处的噪声密度C,则确定1/f区域的上下限fb、fa后,(注意,下限一般是0.1Hz,上限一般是转折频率f1)有些数据表中,直接给出e1峰峰值,需要变成有效值除以6.6.按
14、照下式计算输出噪声有效值,然后乘以6.6为输出噪声峰峰值。108122ffeGendCLrmsabCLVffCGe*)ln(12221eeVn看懂数据表讲解关键参数 单位增益带宽,增益带宽积,压摆率看懂数据表讲解关键参数看懂数据表讲解关键参数mmtmfUfUdttduftUtu2)0cos(2)()2sin()(0 对峰值为5V的正弦波输出(正负7V电源)TL081的满功率带宽为(13V/us)/(6.28*5V)=414.0kHz OP37的满功率带宽为(17V/us)/(6.28*5V)=541.4kHz为满幅度输出电压为满功率带宽,其中mmmtUUSRffUdttdudttduSR22)
15、()(max(0 对单位增益带宽差异很大的放大器,其满功率带宽却差异不大。说明,两者有独立性。看懂数据表讲解关键参数 增益裕度和相位裕度 增益裕度和相位裕度都应大于一定值,才能保证运放的稳定性。看懂数据表讲解关键参数 IIB Input bias current输入偏置电流 The average of the currents into the two input terminals with the output at the specified level.当输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的平均值。IIO Input offset current输入失调电流 The diff
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