集成运放与调理电路分析

1. 集成运放与调理电路分析

2. 电气测量系统的调理电路 在现代电气测量系统中，调理电路是一个重要组成部分，它位于传感器和ADC之间，其功能可以概括成以下几点： 1．放大作用：将传感器的输出的小信号放大成ADC所需要的单端（single-ended）电压信号，所以调理电路的电压放大倍数应该使传感器的测量范围对应ADC的满量程输入电压范围。 2．共模抑制：针对含共模分量的差分信号输入，调理电路的输出应只放大输入的差模信号，输出信号中共模分量理想情况下应为零。 3. 阻抗转换：如果信号源的输出电阻与放大电路的输入电阻相比不能忽略，则需要调理电路将高阻信号源输出的信号转变成低内阻信号后，再送至下级放大电路放大。 4．电气隔离：电气隔离是指高电压和大电流的主回路与电子测量和控制系统间的隔离，隔离最好在传感器/变换器处完成, 也可采用隔离调理电路, 实现的方法有光电隔离和变压器隔离。

3. 易混淆术语理解 • 集成运放和集成运放电路 • 集成运放电路是指以集成运放为核心构造的放大电路，该放大电路除了包括集成运放外，还包括输入信号（源）、输入阻抗、反馈阻抗等。 • 集成运放输入阻抗和集成运放电路的输入阻抗 • 集成运放的输入阻抗一般在106以上，但集成运放电路的输入阻抗则与输入阻抗、反馈阻抗有关，特别是在反相放大电路中，输入阻抗就等于输入阻抗。 • 差分信号、串模信号和共模信号 • 差分信号一般是指共模信号和串模信号的叠加。共模信号是当串模信号为零时信号两极对公共参考端的电压或同向的电流。

4. 集成运算放大器详解 由于运算放大器功能的多样性，它可以极大地简便电路的设计，并在可靠性、一致性、耗电、所需PCB面积等方面具有分立器件电路无法比拟的优势, 因此选用适合的集成运算放大器的成了调理电路设计的一个重要组成部分。目前，国际上著名的半导体公式都推出了很多高性能的集成运算放大器，其中美国模拟器件半导体公司（Analog Devices）在该产品领域具有领先的设计和门类齐全的产品线，德州仪器在这方面也占有重要地位。

5. 某半导体公司的运算放大器产品目录 • 运算放大器 • 高速放大器（大于等于 50MHz）(164) • 精密放大器(510) • 低功耗(117) • 低输入偏置电流/FET 输入(31) • 低噪声(45) • 宽带(135) • 低偏移电压(99) • 高电压(4) (<40V) • 高输出电流(44) (100mA) • 标准线性放大器(206) • 比较器(82) • 仪表放大器(31) • 单电源(17) • 双电源(12) • 差动放大器(25) • 可编程增益放大器(11) • 隔离放大器(3) • 特殊功能放大器 • 跨导放大器(3) • 对数放大器(7) • 多路复用器(4) • 乘法器(1) • PWM 功率驱动器(16) • 可变增益放大器(21) 种类繁多 如何选择? 理解重要的技术参数是关键.

6. 1.集成运放选用一般原则 信号调理电路是数字化测量技术的重要环节。 • 模拟信号的放大常选用集成运放。集成运放主要可分为通用型、低失调型、高输入阻抗型、高速型、仪表运放、差分放大器、可程控增益型和隔离型等。 • 首先要根据所放大信号的主要特点和系统环境选用合适的运放。 • 在满足所需电气特性的前提下，选用性能价格比高、通用性强、市场货源充足的运放。

7. 通用型运放直流性能较好，种类多，价格低。 • 若信号源内阻很大，则可选用高输入电阻的运放。 • 若放大线路要求低噪声、低漂移和高精度，则应选择低失调、低漂移的低噪声运放。 • 视频信号的放大、处理等场合应选择高速宽带运放。 • 总之，选择运放时，要视系统对放大电路的要求，作分析和耐心挑选，避免盲目选用高档的运放。

8. 2.对通用集成运算放大器的再认识 • 通用型运放的品种、规格、型号很多，各公司生产的型号有别，常用的有：μA741、LM324、LM358、OP07、OP117、TL082/084等。 图4-1 μA741的引脚功能及典型接法

9. uA741原理图 1. Q1/Q2级电路构成了差分输入级,有利于抑制输入信号中的共模分量 2. Q14/Q20级电路构成了推挽输出级,可减小电路的输出电阻,增强带负载能力 3. Q8/Q9、Q12/Q13、Q5/Q6、Q10/Q11等对管电路构成镜像电流源,而电流源的动态电阻很高，可以实现极高的电压增益。uA741虽然是几十年前的典型集成运放，但以上结构特点在今天的运放中仍随处可见。

10. 图4-2 LM124/224/324 集成运放 a）引脚功能 b）基准电压源应用 c）斯密特触发电器

11. 单运放LM324的原理图

12. 通用运放电路的结构特点 • 差分输入放大电路 • 理想的差分电路应该完全平衡,元件参数严格匹配 • 实际很难完全平衡,出现失调电压和失调电流. • 推挽输出电路(push-pull) • 降低输出电阻 • 增强带负载能力 • 输出电压的摆幅取决于上拉管和下拉管的饱和压降Vces（Rail to Rail除外） • 最高输出正电压=V+-Vces • 最低输出负电压=V-+Vces • C1（30pF）补偿电容防止闭环应用出现自激振荡。高速运放需要使用更小的电容，当闭环放大倍数太小时，太强的反馈容易引起自激振荡。

13. 差分放大电路的瑕疵—输入失调 1.输入失调现象对集成运放的放大精度（零位及线性度）有重要影响，相关的参数有输入失调电压（input offset voltage）、输入失调电流（input offset current）和共模抑制比CMRR（common mode restriction ratio）。 2. 输入失调现象: 产生原因：理想的差分放大电路是完全对称的，而实际的集成运放输入级差分放大电路则不可能完全对称。 例如：图3中的LM324内部输入级Q1与Q4 的电流放大系数1≠2，当输入差模信号为零，反相和同相输入端都只包含相同的对地分量（即共模分量）时，组成差分放大电路的两个单端信号放大电路必然输出不对称，也就是说差动输出不为零，这种现象就是运放的输入失调。

14. 运放性能指标-输入失调指标 1.输入失调电压input offset voltage -UOS在集成运放的两个输入端之间加上一个直流偏置电压，通过调整这个电压使得运放的输出为零，这个直流偏置电压就被称为输入失调电压。输入失调电压的大小主要就反应了该集成运放内部差分电路参数的不对称或不平衡程度。 用集成运放构成的集成放大电路的输入阻抗失配同样会影响差分放大电路抑制共模信号的能力。从运放两个输入端看出去的信号源内阻抗（包括信号导线的阻抗）不平衡就常常导致某些放大电路虽然采用了共模抑制性能优异的集成运放，但放大电路的共模抑制性能远远达不到集成运放的共模抑制性能。 2.输入失调电压温漂-dUOS/dT在规定的环境温度范围内，单位温度变化所引起的输入失调电压的变化量即为输入失调电压温漂。 3.输入失调电流input offset current -IOS输入信号为零时，放大器两个输入端偏置电流之差即为输入失调电流。 4.输入失调电流温漂-dIOS/dT运算放大器在规定的温度范围内，单位温度变化所引起的输入失调电流变化量即为输入失调电流温漂。

15. 运放性能指标-增益 差模电压增益-A0放大器在开环时(没有外部反馈)输出直流电压增量与输入直流差模电压增量之比，即为开环差模电压增益：AOd=△Uo/△UIAo通常以dB表示：A0=20lg△Uo/△UI(dB) 理想情况 Ao 为无穷大； 实际情况 Ao为 100 ~ 140 dB。 2. 共模抑制比-CMRR运算放大器的差模电压增益与共模电压增益之比，即为共模抑制比。CMRR一般用dB来表示。 CMRR=20lgUod/Uoc(dB) Uoc:输出差分电压 Uod:输出共模电压 CMRR是从运放对共模输入信号和差模输入信号的区别性放大的角度来说明输入失调的程度。理想的运放由于不存在输入失调，完全对称的差分放大电路应该是只放大差模输入电压，而对共模输入的电压增益为零，即完全抑制。所以，理想的CMRR是无穷大的。当然，实际运放由于或多或少存在输入失调的问题，CMRR不可能无穷大，集成运放CMRR一般在80dB-120dB，少数可达140dB。

16. 集成运放的动态响应 • 根据理想运算放大器的输入输出特性可知，理想集成运放应该对任何频率的输入信号具有完全一致的放大特性。 • 而实际上由于集成运放电路内部分布电容、布线电感的存在，当输入信号频率很高时，这些分布电容和电感将不能忽略，从而影响了信号的线性放大。 • 由于集成运放的开环增益很高，为了避免闭环放大出现振荡，生产厂家也常在环路中设计电容来保证集成运放闭环反馈应用的稳定。这些影响可以用动态响应指标来描述，如单位增益带宽(bandwidth@gain=1)、电压摆率（slew rate）等。

17. 集成运放的频率响应指标 -3dB带宽和单位增益带宽 -3dB带宽是指集成运放在小电压信号输入条件下开环增益从直流增益下降到-3dB（对应的电压放大倍数为10-3/20=0.707）时所对应的频率范围。电压增益越高，则带宽范围越小，不同电压增益下该增益与带宽的乘积为一个常数，称为增益带宽积（Gain Bandwidth Product），它实际上就等于单位增益下的带宽，如AD620的单位增益带宽为1000kHz。应该注意的是，当输入信号频率超过-3dB带宽后，增益带宽积将不再等于单位增益带宽，并越来越小。

18. 集成运放的动态响应指标 2. 转换速率(电压摆率)SR(V/us)：运算放大器在额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化速率(Slew Rate)。该指标以阶跃响应的上升速率来反映放大电路响应快速变化信号的能力。例如OP07的电压摆率为0.3V/μs而OPA637的SR=135 V/μs ，明显比OP07快。在实际工作中，输入信号的变化率一般不要大于集成运放的 SR 值，否则输出电压会因集成运放来不及响应而产生畸变。 高速运放有较高的SR，用于大脉冲信号延时小； 宽带运放用于高频小信号的放大。

19. 运放性能指标-极限输入参数 (6)最大输入差模电压UIDM运算放大器两输入端所能承受的最大电压差即为最大输入差模电压UIDM。 (7)最大输入共模电压UICM运算放大器两输人端输入共模电压UCM，当UCM增加到使其共模抑制比下降6dB(106/20=2)时的值即为最大输人共模电压UICM。

20. 集成运放的输出特性参数 (1)．输出电压的摆幅 集成运放的输出电压范围总是在运放的正负电源电压所规定的上下限以内。早期产品的最高输出正电压VOH和最低的输出VOL一般距离其正负电源电压有一段小“距离”。这个“距离”主要是由于其推挽输出电路中的上拉管和下拉管的饱和压降造成的，例如ADI的低成本仪表放大器AD620A的最高输出电压为比正电源电压低1.2V，而最低输出电压比负电源电压高1.1V。 “轨对轨”（rail-to-rail）输出摆幅的集成运放是指其输出的最高和最低电压分别可达到正、负电源电压，例如ADI公司的OP191系列集成运放的输出电压摆幅只比正负电源电压范围小1-2mV。这种输出摆幅的扩大对于作为A/D输入前级的运放有重要意义，特别在采用3.3V电源的低电压数据采集系统中(ADC的输入电压范围一般为0-3V)。假如ADC前级的运放输出电压摆幅只有0.5V～2.5V，则ADC就会损失上下各0.5V的输入电压范围，并且损失的2.5V～3.0V输入电压范围的转换精度最高。而如果想要充分利用ADC的3V的输入电压范围，只有提高前级运放的电源电压，这样就至少需要2组不同的电源电压分别为运放和ADC供电。

21. 输出特性参数 （2）输出电流 按照集成运放的输出电流的流向不同，分为灌电流(source current)和拉电流（sink current），前者是指电流由集成运放通过输出管脚流向外部电路，而拉电流则相反。除非特别申明具有大电流输出特性，一般运放的输出电流的极限在10-20mA，但长期工作的输出电流则在几个mA。

22. 3.高精度通用集成运放 • 最典型的是OP07,OP117,输入失调电压,从741的1mV减小到10uV ,非常可观! 图6-10 ADOP07集成运放 a）引脚功能 b）典型接法

23. 高精度运放的实质-低失调 提高运放精度的手段: • 原理不变, 改进IC生产工艺,使差分电路更趋平衡; 如uA741-LM324-Op07分别是各自时期的典型代表, 输入失调都有不同程度的改进. • 辅以外部调零,尽可能克服输入失调 • 外设调零电位器，补偿输入差分电路的不平衡 • 缺点: 静态调零，无法解决失调的温漂。 • 改进原理, 采用动态调整失调技术 • 斩波-稳零(chopper-stablizer)运放,见下页.

24. 斩波稳零运放 特点：动态补偿输入失调，例如ICL7650 图6-11 ICL7650集成运放 a）引脚功能b）典型接法

25. ICL7650工作原理 • 1、工作过程分两个阶段 • 开关Ａ和Ｂ导通，/Ａ和Ｃ断开，NULL运放检测自己的失调电压，调节CEXTA的补偿电压． • 开关Ａ和Ｂ断开，/Ａ和Ｃ断开，NULL运放检测MAIN运放的失调电压，调节CEXTB的补偿电压． • 2. 箝位电路（CLAMP）。它实际上是一个当输出与电源电压相差接近1V时动作的开关，把CLAMP与运放的反相输入端短接，则其引入的深度负反馈可使电路在过载时的增益大大下降以防止饱和。它可以加速电路在过载后的恢复。 • 3. 调节过程损失响应速度，适合直流和低频信号的放大。

26. 典型通用运放主要指标对比

27. 通用集成运放电路的局限 • 输入电压信号必须是单端信号（single-ended）, 不能是含有共模信号的差分输入（differential input）电压信号。这是通用运放的“死穴”。 • 通用集成运放本身的输入电阻非常高（通常在109以上），但与外部电阻构成闭环反相放大电路后，放大电路的输入电阻Rin=R1（一般在1k-100k范围），远远小于集成运放的输入电阻。当信号源的内阻抗较大时，信号电压将会在内部阻抗上产生较大压降，可能严重影响信号源的正常输出，导致放大器得不到期望的信号输入。 • 图4-1可调电阻Null是用于调节输入失调（Null Offset）。即当输入Vin为零而输出不为零时，通过调节该可调电阻，使输出为零。显然，这是一种静态调零，当电路参数出现漂移时，零位还需要再调。

28. 用通用运放构成差分放大电路 • 改进:可以放大差分信号中的Vid(差模信号),并输出单端信号(容易与后续电路搭配). • 不足:输入阻抗 (R1+Rf)低,要求信号源内阻远小于(R1+Rf),不是任何时候都能满足. • 理解差模信号Vid和共模信号Vic和公共端.

29. 共模信号与共模抑制 • 常见的共模信号 • 电桥电路的输出 • 采样电流的电阻位于高端(high side) • 三相电气设备(如电机)的供电回路中 • 逆变电路H桥高端 • 多点接地时出现不同地电位 • 信号输入回路与外电场发生静电耦合

30. 电桥输出含共模

31. 高端电流采样电阻两端的电压含高共模信号

32. 不同地电位造成的共模信号 • 多点接地的地电位差引起的共模分量UG

33. 电容耦合造成共模信号 • 静电场耦合引起共模电压

34. 高共模的危害 图 AD623共模输入会限制差模输出电压范围。 纵坐标表示的是针对差模输入分量进行放大后可能的最大输出。显然，使用集成仪表放大器时，应当将共模输入分量限制在图中的AB或ED边线所对应当的范围以内。 “共模六边形”上点F和C点就是所对应的横坐标就是共模阻塞电压。此时，差模输入无论多大，都不会在输出中得到反映。因为此时输入级晶体管已经处于饱和导通或截止状态。

35. 共模信号作用于输入失调的外部阻抗 • 如果外部阻抗不平衡，虽然只有共模输入，但VAB可能不为零，电路的输出也不等于零。

36. 4 高输入阻抗集成运放 • 该类运放的输入阻抗一般为107~1012MΩ。通常采用结型场效应管构成差分输入级，以提高输入阻抗，且兼有高速、宽带，低失调电流、低谐波失真及低噪声等特点。广泛用于高速积分、快速D/A、采样/保持电路及一般放大器中。 • 常用的高输入阻抗运放有：LF347、 LF356、CA3140、DG3140等许多型 号，各公司产品的型号也不一样。 图6-13 LF347的引脚功能

37. 5 仪表放大器 • 仪表放大器：仪表放大器本身就是闭环的放大电路,有很高的输入阻抗，可以对差分信号的进行放大，并转化为单端对地信号，习惯上称这种放大器为测量放大器。 • 选好、用好集成仪表放大器和集成差分放大器，需要理解最基本的三运放仪表放大器。

38. 图6-15 AD521 测成测量放大器 a）引脚功能 b）基本接法

39. 三运放仪表放大电路 该电路分为两级： 第一级: 由A1和A2构成高阻抗的差分电压放大器，作用是抑制共模和阻抗转化。该级可以看成两个同相放大器（分别由A1、0.5RG、R1和A2、0.5RG、R1组成），电压放大倍数为（1+R1/0.5RG）,且A1和A2的输出电阻非常低。本级电路的另一个作用就是抑制共模分量，必须强调，图中的基本仪表放大电路的共模输入分量的范围是不能超过“共模六边形”的阻塞电压。 第二级: 由A3与四个电阻构成一个差分电压放大器，其输出信号Output是相对Reference端的单端信号，本级的电压放大倍数为R3/R2。

40. 三运放仪表放大电路详解 ， Reference端接VREF时，由于A3的两个输入电流近视为零，有： (4-1) (4-2) 根据运放“虚短”原则有VC=VD，用（4-1）式减（4-2）式，得： (4-3) 将VA、VB代入式(4-3)，整理可得： • 结论： • 差分输入，单端输出。 • 差分放大倍数为KV。 • 输出被向上平移了 VREF。对交流电气量的数字化测量非常重要。 或

41. Reference端的使用 • Reference在一般的应用中接电源地，但当后级为单级性的A/D转换器时，Reference端接A/D转换器的参考电压，可以给输出电压加上一个恒定的偏置电压，从而允许放大电路的输入VIN为双极性的信号，这大大简化了交流电气量的A/D转换前级的放大电路的设计。 • 举例说明： 设VIN=Sin314t（V），A/D输入电压范围为0-3V，利用图4-4所示电路作为ADC的前级调理电路，则VREF应接在0-3V的中点即1.5V的参考电压上（利用ADC的参考电压或外部专门的参考电压源），同时把VIN放大1.5倍，这样就可充分利用ADC的输入电压范围来转换输入交流电压（-1V—+1V）。

42. 典型集成仪表放大器：AD62X系列 ADI的AD62x系列通用集成仪表放大器因其性价比较高，应用广泛。右图是AD623的内部原理图。其基本电路还是三运放构成的仪表放大器，主要不同点在于输入PNP管（Q1、Q2）可以将输入共模电压电平上移从而可以允许低于负电源电压0.2V的电压输入。其次，输入端的两个嵌位二极管可以提供输入过压保护。 电压增益Gain=1+100k/RG。

43. 典型集成仪表放大器：AD62X系列 通用仪表放大器AD623用来放大直流电阻电桥的输出。图中差模电压一般在mV级,而两个输入端输入的同极性、同幅值的共模电压分量约为2.5V（电桥的直流偏压）。抑制电源电压范围内的共模分量是使用仪表放大器的主要原因。

44. 仪表放大器的Data Guard输出 Data Guard对抗输入信号电缆的电容与外电场的不平衡耦合.

45. 集成差分放大器AD8200系列 集成仪表放大器的共模抑制比CMRR虽高，但允许输入的共模电压范围有限。在有些应用中，前置放大器的共模输入电压范围远远超出电源电压范围，集成差分放大器在集成仪表放大器的前级增加一个专门抑制高共模输入的差分放大级。ADI的AD8200系列在单+5V供电时允许的共模电压范围为-8V～+28V，其内部结构如图4-8所示，A2为AD623类似的仪表运放，增加的A1与两侧的分压电阻配合，可以扩展输入共模电压的范围。

46. 集成差分放大器AD8210系列 图4-9是用分流电阻测量电流的例子。由于分流电阻与H桥驱动的负载电机串联，共模电压主要取决于直流母线的电压水平。如果直流母线的电压高于28V，通用型仪表放大器和AD8200系列的共模输入电压范围将不再满足要求。ADI的AD8210系列集成差分放大器内部用两个可以耐受高共模输入电压的三级管代替AD8202内部的分压电阻RB，从而使允许输入的共模输入电压范围扩展到-5 V～68V。此外，AD8210提供了20倍的固定电压增益。

47. 浮地输入信号源的静态偏置电流路径 集成仪表放大器的静态工作点对应的直流静态偏置电流经过能流通到电路公共端的直流路径。 对于像右图所示的热电偶输出的热电势、经变压器耦合的交流输入电压信号、经电容耦合的交流输入电压信号等，这些输入电压信号源的一个共同特征是它们都是“浮地”的，集成仪表运放的输入端到地没有直流路径，所以必须增加到地的直流路径，以便输入级电路的直流偏置电流能流通。

48. 6 程控增益放大器 • 在数字化测量技术中，可利用数字编码控制电子开关来选择放大器的反馈电阻实现不同的增益变换。在带微计算机或微处理的测控系统中，采用软件控制电子开关来选择放大器的增益。具有这种功能的放大器称为程控增益放大器。 • 图6-17为利用改变反馈电阻实现的程控增益放大器。 图6-17 程控增益放大器原理

49. 常用集成程控增益放大器 图6-18 AD524程控增运放引脚功能 图6-19 PGA100引脚功能

50. 7 集成隔离放大器 • 在电气测量中，测量电路总是作为控制系统的输入环节。为了保护整个控制系统不受一次高电压大电流回路的冲击，常常要求一次主回路和二次控制系统电气隔离。隔离放大器就是为了实现这种需要而设计的。 • 为了提高微弱电信号（电压或电流）和低频信号的测量精度，减小漂移，常采用调制一解调式放大器。实现方法上，直流电源首先经振荡器变成交变信号，通过变压器或光耦合器耦合到输入回路；然后再整流和滤波、稳压作为输入回路和输出回路的直流电源；输入回路的调制开关信号和输出回路的解调开关信号也通过变压器或光耦合器耦合过来；输入回路和输出回路之间的信号联系也用变压器或光耦合器来实现。