1、智能儀器設計基礎三）_ 2第三講 智能儀器的前向通道3.1 運算放大器的原理及應用運算放大器的電子學基礎1運算放大器的非理想特性3運算放大器的噪聲4運算放大器的典型應用電路2商用運放的種類和特點5_ 3第三講 智能儀器的前向通道3.1.1 運算放大器的電子學基礎3第三講 智能儀器的前向通道N+N+多晶硅柵SiO2P-Si電極N溝道MOSFETgsudsgdiGSVDSISIWIVsatDSVDSIlinearsaturationVGS-VTDSGSTVVVL2() (1)DSnGSTDSWIKVVVL_ 4第三講 智能儀器的前向通道3.1.1 運算放大器的電子學基礎bcN+PNeNPN三極管/

2、expBEVkT qCEsII1510A/26mV300KsIkT qatCEBEIIleakage current101000pk-波爾茲曼常數，q-電子電量，T-絕對溫度pkT/q不隨工藝的更新而改變，只包括基本物理參數和絕對溫度p指數傳輸特性，具有陡峭的特性曲線，其跨導比其它半導體器件要高p缺點是存在基極電流，且增益不太確定_ 5MOSTvm DSAg rBipolar/EvVAkT q01BW2GBW=2vm DSDSLmLAg rr CgC01BW2GBW=2vm DSSGSmDSGSsAg rR CgrCRp負載電容構成主極點p源電阻非常高時，輸入電容才有可能構成主極點_ 6001

3、j /1j /zvvpvm DSffAAffAg rin?;Cpzff計算：等效輸入電容：=？AB Class amplifier0221BW22GBW=2vm DSDSoutoutLmLAg rrRR CgC_ 71?1vinoutmARRgp Source Followerp Voltage buffer11(1)1mmRmssoutRmsDSgsinRmsggg RRRg R rCCg R?1outininoutmiiRRgp Cascodep Common Gatep Current buffer_ 81?1vinoutmARRg11(1)1mmRmssoutRmsDSgsinRmsg

4、gg RRRg R rCCg R?1outininoutmiiRRg_ 912/iBBbeRRRroCRR(/)CLbeRRAr/oLUR共射極放大（1直流工作點設計動態范圍：Vcc/2功率消耗：Vcc*Ic（2交流小信號特性分析微變等效電路：輸入阻抗：輸出阻抗：電壓放大倍數：負載效應：（1接收單端信號輸入，動態范圍取決于電源范圍和直流工作點（2具有電壓放大能力，該能力與負載相關（3具有較低的輸入阻抗，不利于直接連接信號源（4具有較高的輸出阻抗，帶負載能力有限 結論不理想的放大器_ 10（1接收單端信號輸入，動態范圍取決于電源范圍和直流工作點（2不具有電壓放大能力（3具有較高的輸入阻抗，有利于

5、直接連接信號源（4具有較低的輸出阻抗，帶負載能力較好 結論較理想的阻抗變換器共集電極放大電路射極跟隨器）（1直流工作點設計動態范圍：Vcc/2功率消耗：Vcc*Ic（2交流小信號特性分析微變等效電路：輸入阻抗：輸出阻抗：電壓放大倍數：負載效應：12(/)/(1)(/)iBBbeELRRRrRR/()1beoErRR(1)(/)(1)(/)ELbeELRRArRR/oLUR_ 11單端信號放大的問題單端信號：信號的參考為直流電源的地單電源供電單端放大器雙電源供電單端放大器信號變換的四端口原理，有源變換電路電阻傳感器用于測量環境量的變化，這種變化引起電阻的變化電阻的絕對值變換成電壓或者電流信號是一

6、個顯著的值電阻的變化量變換成電壓或者電流信號的變化量則非常微弱，需要放大顯然，放大變化量需要抑制絕對值的影響，否則放大器會飽和不平衡電橋是消除絕對值影響的一個很好的解決方案電橋的輸出是一個差分信號，僅僅反映電阻的變換量放大差分信號需要抑制共模信號，這是對差分放大器的基本要求_ 12差分放大器鏡像電流源偏置差分放大器（1直流工作點設計共模電壓動態范圍（2交流小信號特性分析微變等效電路共模輸入阻抗差模輸入阻抗共模放大倍數差模放大倍數輸出阻抗恒流源有限的直流內阻，無窮大的交流內阻cicdVRdI 發射極電阻RE被恒流源取代交流共模輸入阻抗極大的提高直流工作點不受影響差模輸入阻抗不受影響_ 13鏡像電

7、流源Wilson 鏡像電流源基本恒流源典型的恒流源電路恒流源構成的鋸齒波發生電路（工作于臨界飽和點附近的電流源）（克服不理想恒流特性的電流源）壓降被鉗位_ 14帶有源鏡像電流源負載差分放大器BJT）帶有源鏡像電流源負載差分放大器JFET）簡單的兩級運放集電極RC被恒流源取代增益的極大提高JFET作為運放輸入級無直流偏置電流運放的思想：（1差分輸入（2共模抑制（3極高的增益（4極高的輸入阻抗（5較低的輸出阻抗_ 153.1.2 運算放大器的理想特性n 基本參數開環參數）n 增益很高的差分放大器n 電壓增益 an uA741: 200V/mV (106dB)n OP-77: 12V/uV (141

8、.6dB)n 共模輸入阻抗rcn 差分輸入電阻 rdn 輸出電阻 ron 理想運算放大器a dr 0or 0II第三講 智能儀器的前向通道cr _ 16第三講 智能儀器的前向通道 12( )( )( )G sG sG s3.1.3 運算放大器的負反饋連接( )( )( )1( )( )( )ifooV sVsE sV sV sG s( )( )( )1( )( )( )ociV sG sG sG sH sV s虛短( )G s 負反饋的作用： 降低增益靈敏度 減小非線性失真 克制干擾和噪聲( )N s_ 173.1.4 基本運算放大器電路1）跟隨器反相放大器同相放大器第三講 智能儀器的前向通道

9、單電源或雙電源單電源或雙電源雙電源_ 183.1.4基本運算放大器電路2）電流-電壓變換器高靈敏度電流-電壓變換器第三講 智能儀器的前向通道電壓-電流變換器1負載浮動）電壓-電流變換器2負載浮動）改進：可采用雙運放實現簡單的設計_ 193.1.4基本運算放大器電路3）第三講 智能儀器的前向通道負阻轉換器NIC）電壓-電流變換器3（Howland電流泵，負載接地）4231RRRR電流源工作條件電荷放大器_ 203.1.4基本運算放大器電路4）反相加法器第三講 智能儀器的前向通道同相加法器差分放大器三運放儀表放大器（電橋和可編程運放）_ 213.1.4基本運算放大器電路5）第三講 智能儀器的前向通

10、道信號的共模與差模（1共模信號與差模信號的測量邏輯上總是三端測量，兩個信號端與一個參考端；（2差模信號與信號的參考無關，它們總是兩個信號端之間的差；（3共模信號則取決于其參考，不同的參考具有不同的共模信號幅值；（4共模信號與差模信號不僅是電壓信號，也可以是電流信號；_ 223.1.5基于運算放大器的濾波器1）第三講 智能儀器的前向通道一階有源濾波器穩定條件？積分器微分器Holand積分器帶增益低通帶增益高通帶增益帶通移相器_ 233.1.5基于運算放大器的濾波器2）第三講 智能儀器的前向通道200()1(),1 (/)(/)/2N jH jQjQ 二階有源濾波器二階系統的頻域表達200( )(

11、 )( /)2 ( /)1N sH sss1 過阻尼01 欠阻尼0 臨界阻尼0 發散低通響應0dB10002dB00dB0dB0/11(),40lg (/)/11 (/)(/)/1LPLPLPLPHHjHjQHQ （1二階響應，使得高頻漸近線陡度增加了兩倍的斜率（2對 附近的幅度形狀調節增加了自由度（3Q=0.707，成為巴特沃斯響應，該曲線最接近理想陡峭模型0/1 _ 243.1.5基于運算放大器的濾波器3）第三講 智能儀器的前向通道20200(/)()1 (/)(/)/HPHjjQ 二階有源濾波器高通響應帶通響應0200(/)/()1 (/)(/)/BPjQHjjQ _ 253.1.5基于

12、運算放大器的濾波器4）第三講 智能儀器的前向通道二階有源濾波器（1二階無源RC濾波器的頻率特性（2Qfb, 那么0tbfaf增益帶寬積GBP(j )GBPa ff內部補償運放具有恒定的GBP，GBP=ft03dBbaf -開環增益, 開環頻率（開環帶寬）_ 43第三講 智能儀器的前向通道3.1.6 運算放大器的動態特性限制4）考慮動態限制的運放的閉環響應跟隨器反相放大器同相放大器p運放動態性能的限制會引起閉環響應的幅度誤差和相位誤差p負反饋降低了開環增益，但是擴展了帶寬，稱為擴頻帶技術p負反饋對于相位誤差也具有改善作用_ 44第三講 智能儀器的前向通道3.1.6 運算放大器的動態特性限制5）運

13、放的暫態響應測試電路跟隨器1(j )1j /ba fff上升時間Rt線性小信號參數，測試條件： 小信號方波輸入，輸出從10%上升到90%的輸入幅值所需時間12bf0.35Rbtf()(),mom critom critVVV臨界方波幅值轉換速率Slew Rate）SR逐漸提高輸入方波信號的幅值，則響應的斜率會隨之增加0ddomtvVt當輸入方波信號的幅值高于某臨界值，響應的斜率將出現飽和這個飽和于某個常數的斜率稱為運放的轉換速率SRV/us）非線性大信號參數，測試條件： ()(),mom critom critVVV臨界方波幅值()2om critbSRVf_ 45第三講 智能儀器的前向通道3

14、.1.6 運算放大器的動態特性限制6）運放的暫態響應測試電路跟隨器無論何時采取措施試圖超越運放的SR能力，SR的限制作用都會使信號失真dsin(2)2cos(2)dooomomvvVftfVftt如果要在高的頻率條件下工作，就必須將Vom保持在足夠低的水平來避免失真satSRFPB2 V最大幅度依賴于具體的運放SR、供電電源以及運放的輸出飽和值全功率帶寬FBP正弦信號輸出：不失真條件：maxd()d22oomvSRSRfVtFPB: 運放能夠產生具有最大可能幅度的無失真交流輸出時的最大頻率OPSRMHzV舉例：精密運放07， 0.3V/ s（1）如果希望跟隨1信號不失真，問：信號幅度不能超過多

15、少？（2）如果希望1 的信號通過運放不失真，問：信號的頻率不能超過多少？_ 46第三講 智能儀器的前向通道3.1.6 運算放大器的動態特性限制7）運放的暫態響應測試電路大輸入階躍響應從原點出發一直到開始穩定并保持在一個給定的誤差范圍內所需要的時間。建立時間st大信號階躍響應的三個階段：（1高階極點引起的初始傳輸延時；（2受SR限制的變化；（3從與SR相關的過載狀態中恢復，產生振鈴；典型的ts測試電路：（1R3和R4組成虛地的電路，理想情況下 vFG=0（2實際上，由于運放產生的瞬變現象，vFG會瞬時偏離零值（3通過觀察vFG偏離量可以來測量ts（4肖特基二極管的作用是防止測量用輸入放大器飽和（

16、1元件引線盡量短；（2采用金屬膜電阻，避免使用繞線式電阻；（3供電電源的旁路；（4給輸入、負載和反饋網絡提供獨立的接地回路為了充分實現運放建立時間的能力，必須適當注意元器件的選擇，規劃和接地；否則會使精心設計的運放失去意義！_ 47第三講 智能儀器的前向通道l 干擾噪聲：電路與外界或電路自身的不同部分之間多余的相互作用產生的噪聲l 機-電噪聲：聲音，光，振動等通過傳感器后變換成電噪聲）l 電力線路的頻率和它的諧波l 無線電，射頻發生設備l 機械開關電弧，高壓放電l 電抗元件電壓尖脈沖l 干擾噪聲的抑制l 濾波，去耦合l 隔離，消除接地回路l 靜電和電磁屏蔽l 抑制電源噪聲3.1.7 運放的噪聲

17、1）_ 48第三講 智能儀器的前向通道l 固有噪聲l 設法消除全部干擾噪聲，電路中仍然呈現固有噪聲。l 固有噪聲本質上是隨機的，它源于各種隨機現象，如電子的熱運動。l 電路中每個節點電壓和支路電流都是在它們期望值附近不斷波動。l 信噪比l 信噪比用于表示在噪聲存在的條件下的信號質量。210210logsnXSNRXXs: 信號的均方根值RMS）Xn: 噪聲分量的均方根值RMS）3.1.7 運放的噪聲2）_ 49第三講 智能儀器的前向通道2nXn 噪聲特性n RMS值和波峰因數n 噪聲是隨機量，無法預估一個噪聲變量的瞬時值。n 可在統計的基礎上對噪聲進行處理。n 噪聲電壓或噪聲電流xn(t)的均

18、方根值RMS定義如下：n 波峰因數：噪聲的峰值與噪聲的RMS值的比值。n 高斯噪聲的波峰因數大于3.3時，噪聲瞬時值超過的概率為0.1%。n 實際中高斯噪聲的峰峰值取為其噪聲RMS的6.6倍201( )d )nTnXxttTT : 合適的平均時間間隔 : 均方值代表1 電阻中的噪聲信號xn(t) 消耗的平均功率3.1.7 運放的噪聲3）_ 50l 噪聲的求和l 噪聲頻譜l 噪聲功率通常分布在整個頻譜上，這與交流信號集中在特定頻率處不同l 表征噪聲必須同時指明測量或計算時所處的頻帶l 噪聲功率密度V2/Hz, A2/Hz）l 噪聲譜密度2212nnnXXX第三講 智能儀器的前向通道2222dd(

19、 ),( )ddnnnnEIefifff( ):(V/ Hz),( ):(A/ Hz)nnefif2/12d)(HLffnnffeE2/12d)(HLffnnffiI3.1.7 運放的噪聲4）_ 51l 白噪聲和 1/f 噪聲l 具有均勻功率譜密度的噪聲，即：l 白噪聲的有效值隨著頻帶的平方根的增加而增加l l 1/f 噪聲的功率密度隨頻率變化規律l 1/f 噪聲功率與頻帶上下限之比的對數成正比，而與頻帶在頻譜中的位置無關l 集成電路的噪聲l 由白噪聲和 1/f 噪聲混合而成的，在高頻主要是白噪聲，而在低頻則主要是1/f 噪聲第三講 智能儀器的前向通道( ),( )nnwnnwefeconst

20、ificonst,10nnwHLnnwHLnnwHnnwHHLEeffIiffEefIifff2222( )/,( )/nvniefKfifKfln(/),ln(/)nvHLniHLEKffIKff3.1.7 運放的噪聲5）_ 52第三講 智能儀器的前向通道3.1.7 運放的噪聲6）p 轉折頻率 fce, fci：1/f 漸近線和白噪聲電平的交點p 功率密度：p 噪聲RMS_ 53第三講 智能儀器的前向通道n 電路中的固有噪聲n 熱噪聲約翰遜噪聲）：n 存在于包括實際電感和電容的雜散串聯電阻在內的所有無源電阻元件中n 主要是由電子或p型半導體電阻中的空穴的熱運動所產生n 熱噪聲功率密度與流過電

21、阻的電流無關，而與溫度T，電阻值R相關n 熱噪聲是白噪聲，純電抗元件沒有熱噪聲2234,1.3810J / KRekTRk3.1.7 運放的噪聲6）_ 54第三講 智能儀器的前向通道l 散粒噪聲l 任何時候電流流過一個PN結勢壘都會產生散粒噪聲l 穿過PN結的直流電流微觀上是許多隨機元電流脈沖的集合l 散粒噪聲具有均勻的功率密度（ q是電子電量，I是流過PN結的直流電流）l 散粒噪聲也白噪聲，其噪聲密度與流過PN結的直流電流成正比l 閃爍噪聲l 也稱為接觸噪聲或者1/f噪聲，半導體器件內的缺陷和雜質形成陷阱，當流過電流時，陷阱隨機捕獲或釋放電荷載流子，引起電流的隨機波動l 在有源器件中，MOS

22、FET含有這種噪聲最多，無源元件中，碳質電阻除了熱噪聲，也包含這種閃爍噪聲，故又稱附加噪聲l 閃爍噪聲總是與直流電流有關，其功率密度形式：2192,1.602 10CniqIq3.1.7 運放的噪聲6）2anIiKfKIa器件常數， 直流電流另外器件常數(0.52)_ 55第三講 智能儀器的前向通道l 雪崩噪聲l 存在于反向擊穿的PN結，強電場產生的電子空穴對碰撞產生新的電子空穴對，從而形成雪崩擊穿l 雪崩擊穿的電流是由隨機分布的噪聲尖峰組成l 雪崩噪聲與散粒噪聲類似，需要直流電流流動，但是雪崩噪聲比散粒噪聲更加劇烈l 齊納二極管噪聲聞名遐邇，這是為什么電壓基準一般采用能隙電壓基準而不采用齊納

23、二極管基準的原因3.1.7 運放的噪聲6）除了雪崩噪聲外，晶體管一般含有所有以上噪聲，對晶體管噪聲機理的理解能夠更好的幫助理解運算放大器的噪聲特性_ 56第三講 智能儀器的前向通道l BJT的噪聲3.1.7 運放的噪聲6）221214()22 ()(j )nbmaCBnBekT rgIIiq IKff輸入噪聲密度bBCCmrIIqIgakT本征基極電阻， 和 基極直流電流和集電極直流電流跨導， 器件常數, 直流電流增益（隨頻率下降）123451rb產生的熱噪聲；2集電極電流散粒噪聲對于輸入的影響；3基極電流的散粒噪聲基極電流的閃爍噪聲反射到輸入端的集電極電流的散粒噪聲45_ 57第三講 智能儀

24、器的前向通道l JFET的噪聲3.1.7 運放的噪聲6）222223/24()3222() (4)30aDmnmagsDnGmmIgekTKgffCIiqIkTgKgf（非高頻和常溫下）輸入噪聲密度23,DGmgsIIgKKaC和 漏極電流和柵極漏電流， 跨導和適當的器件常數, 柵源極之間的電容121溝道的熱噪聲；2漏極電流的閃爍噪聲對輸入的影響；lJFET在低頻和中頻下其輸入不含電流噪聲，但是隨著溫度的升高以及在高頻下電流噪聲不能被忽略。l與BJT相比，JFET輸入的運放比BJT輸入的運放具有更高的電壓噪聲_ 58第三講 智能儀器的前向通道l MOSFET的噪聲3.1.7 運放的噪聲6）24

25、2214320()nmnGekTKgWLfiqI室溫下輸入噪聲密度4GmIgKWL漏極電流和柵極漏電流， 跨導適當的器件常數, 晶體管的面積1231溝道的熱噪聲；2漏電流的閃爍噪聲;3柵極漏電流的散粒噪聲lMOSFET在低頻和中頻下其輸入不含電流噪聲，但是隨著溫度的升高電流噪聲不能忽略。lMOSFET輸入的運放，其閃爍噪聲是主要關注對象，增加晶體管面積可降低該噪聲_ 59第三講 智能儀器的前向通道l 運放的噪聲模型及其輸入噪聲密度的計算3.1.7 運放的噪聲6）l噪聲是隨機的，en(t)，inp(t)和inn(t)的幅度和方向總是不斷變化的；l噪聲必須以RMS的形式而不是以代數的形式相加；l總

26、RMS輸出噪聲Eno被折算到輸入端與信號進行比較來確定信噪比SNR以及電路的分辨率。電阻反饋運放電路電路的噪聲模型p 采用疊加定理計算噪聲密度，噪聲電壓和電流源視為獨立源p 疊加采用RMS相加p 計算換算到運放輸入端的總頻譜密度222 22 2312312(/)4(/)ninnpnneeR iRRikT RRR_ 60第三講 智能儀器的前向通道l 運放的輸出噪聲密度的計算1）3.1.7 運放的噪聲6）輸入電壓噪聲的輸出模型A(jf)為傳輸增益輸入電流噪聲的輸出模型Z(jf)為傳輸阻抗l如果輸入信號為電壓信號，則輸入噪聲以電壓噪聲的形式疊加在輸入信號中被放大l如果輸入信號為電流信號，則輸入噪聲以

27、電流噪聲的形式疊加在輸入信號中被放大l噪聲增益并不一定等于信號增益，但是為了簡單起見往往等同處理；l輸出噪聲的計算公式：( )(j )( )nonniefAfef噪聲密度22221/200( )d(j )( )d )nonononiEeffEA feff總輸出RMS噪聲_ 61第三講 智能儀器的前向通道l 運放的輸出噪聲密度的計算2）3.1.7 運放的噪聲6）l一階濾波器就像理想濾波器那樣可以讓白噪聲通過，但截止頻率是原來的1.57倍；l這個0.57倍的頻率擴展是計及了大于f0的傳輸噪聲；l帶頻率補償的運放開環響應是一階函數，故該結論對于運放也是成立的；l放大器對白噪聲的截止頻率等于0.57

28、fb220011/1 (/) ,nAfffRC21/20200d()1.571(/)nonwnwfEeefff舉例1：等效噪聲帶寬(NEB)舉例2：知：（1電壓白噪聲和電流白噪聲的頻譜密度為enw,innw和inpw（2運放的單位增益頻率為ft計算： 在有效時間Tobs內總有效值輸出噪聲fL=1/ Tobs , fH=）_ 62第三講 智能儀器的前向通道3.1.7 運放的噪聲6）222 22 2312312(/)4(/)ninnpnneeR iRRikT RRR總輸入噪聲密度：電壓噪聲密度：22(1)cennwfeef電流噪聲密度：22(1)cipnpnpwfiif22(1)cinnnnwfi

29、if總有效值輸出噪聲：221/222 22301221/212312(j )()d )(1)(ln1.57)(ln1.57)(/)(ln1.57)4(/)(1.57)BBnoninwceBLnpwcipBLLLBnnwceBLBLLRffEAfeffefffR ifffRfffRRifffkT RRRfff運放的閉環帶寬：02011212100/(1j /)1(j )(1)1/(1j /)/()(1/)(1/j /()1bbbaffRA faffRRRRRRafa f000bttbaafffa f開環直流增益（1）, 運放轉折頻率, 運放單位增益頻率， 21211(j )(1)(1/)(j /) 1tRA fRRRff輸出噪聲電壓：212(1/)(j )1 (/)noniniBRReA feeff211/tBffRR令 運放的閉環帶寬_ 63第三講 智能儀器的前向通道3.1.7 運放的噪聲6）l 運放電路的低噪聲設計l選擇具有低噪聲電平enw和inw以及低轉角頻率fce和fc