高速运算放大器

1. 高速运算放大器 　高度运放的定义：在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。这就让高速型运算放大器产生了。

2. 在现代电子技术中，对数据获取的速度和数据的精度要求越来越高，高性能放大器往往用来驱动模数转换器以及高速数模转换器输出的电流一电压转换器，因而宽带、直流藕合、低畸变以及小上冲、快调整时间成为放大器的重要性能要求。以往，传统的闭环运算放大器都采用电压反馈方法，而高速运算放大器则大都用电流反馈方法，电流反馈放大器也叫互阻放大器，其特点是速度高。在现代电子技术中，对数据获取的速度和数据的精度要求越来越高，高性能放大器往往用来驱动模数转换器以及高速数模转换器输出的电流一电压转换器，因而宽带、直流藕合、低畸变以及小上冲、快调整时间成为放大器的重要性能要求。以往，传统的闭环运算放大器都采用电压反馈方法，而高速运算放大器则大都用电流反馈方法，电流反馈放大器也叫互阻放大器，其特点是速度高。

3. 1、高速运算放大器的结构： 输入级、增益级、输出级和偏置级。 2、现代高速运放的分类： 宽带放大器、低畸变放大器、电流反馈放大器和低功　　　　　耗放大器 3、运放的性能指标和工程参数

4. 工程参数  开环放大倍数  共模抑制比（CMR）  输入偏置电流  功率损耗  失调电压和电流  工作温度与保存温度  电源电压  极限参数  频带增益乘积 最大最小电源电压  跟踪速度 最大功率 温度极限  噪声系数

5. 反馈电阻 vi vi + + vo vo vi - - vi (b) 闭环状态 (a) 开环状态 工程参数 一、开环放大倍数 指电路系统的输出信号没有通过其他电路连接到输入端时的差模放大倍数。 v0 = K(v+v-) 开环放大倍数K

6. - vi vo + 开环放大倍数示例 选用理想运算放大器 仿真： （1）观察输出波形与输入、电源电压的关系。 仿真

7. 工程参数 二、输入偏置电流IIB 指运算放大器两个差分输入端的基极(栅极)静态电流的平均值。 IIB2 v- IIB= (IIB1+ IIB2)/2 - + v+ IIB1 理想情况下：IIB1= IIB2 = 0 （虚断I+= I- = 0 ）

8. 工程参数 三、输入失调参数 （1）失调电流IIO 由于放大器差分输入电路不对称而造成的两个输入端静态电流之差。 IIO = |IIB1 -IIB2| 即（|I+ -I-|) （2）失调电压VIO 由于放大器差分输入电路不对称而造成的两个输入端静态电压之差。 VIO = |VIB1 -VIB2| 即（|V+ -V-|) 理想情况下：IIO= 0 ，VIO= 0 （虚断I+= I- = 0 ）

9. 工程参数 四、电源电压 六、允许最大差模输入电压 器件正常工作的条件。 ◎电源功率 ◎电源电压范围 ◎电源电压抑制比 表示运算放大器所能承受的最大差模输入信号电压（器件中的PN结所限）。 七、允许最大差模输入电压 表示运算放大器所能承受的最大差模输入信号电压（器件中的PN结所限）。 五、输出幅度 指在给定电源电压下，运算放大器所能达到的最大输出电压。

10. 九、摆率 八、带宽增益乘积 反映运放对高速变化的输入信号的响应能力。 运放的放大倍数下降到1倍(0dB)零频与对应电压增益之间的乘积。 例： 20lgAV(dB) 例： AO 0 1M t f(Hz) 0 工程参数 Slew Rate

11. 使用LM324 小信号输入 LM324的跟踪速度是2.5v/ms 大信号输入 输入正弦波信号最大值为1V，频率为1MHz。 在0~45度间的上升幅度为0.7V，需0.625ms。 最大上升速度为0.7V/0.625ms=1.12v/ms。 跟踪速度示例 Slew rate 输入正弦波信号最大值为1V，频率为1kHz。 在0~45度间的上升幅度为700mV，需0.125ms。 最大上升速度为700mV/0.125ms=0.0056v/ms。

12. 十一、功率损耗 指器件在正常工作时所具有的最大功率消耗能力。 十二、工作温度与保存温度 工作温度： 运放正常工作时所允许达到的最高温度。 保存温度： 运放不工作时的环境温度范围 。 工程参数 十、噪声系数 NF——噪声系数 Psi——输入信号功率 Pso——输出信号功率 Pni——输入端噪声功率 Pn0——输出端噪声功率

13. T2/ T3 差分输入 共射 T1/ T4 差分输入 共集 T5/ T6 电流镜负载 LM324运算放大器的基本结构示例 V+ 输入级 中间级 输出级 100µA 4µA 6µA T11 T12 C T2 T3 V- T10 V+ T4 T1 V O T13 T8 T9 T7 50µA T5 T6 减小输出电阻提高输出能力 放大，功耗小

14. 集成运算放大器的选择 集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。在由运算放大器组成的各种系统中，由于应用要求不一样，对运算放大器的性能要求也不一样。 在没有特殊要求的场合，尽量选用通用型集成运放，这样即可降低成本，又容易保证货源。当一个系统中使用多个运放时，尽可能选用多运放集成电路，例如LM324、LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路。

15. 评价集成运放性能的优劣，应看其综合性能。一般用优值系数K来衡量集成运放的优良程度，其定义为： • 式中，SR为转换率，单位为V/ms，其值越大，表明运放的交流特性越好；Iib为运放的输入偏置电流，单位是nA；VOS为输入失调电压，单位是mV。Iib和VOS值越小，表明运放的直流特性越好。所以，对于放大音频、视频等交流信号的电路，选SR（转换速率）大的运放比较合适；对于处理微弱的直流信号的电路，选用精度比较的高的运放比较合适（既失调电流、失调电压及温飘均比较小）。 • 实际选择集成运放时，除优值系数要考虑之外，还应考虑其他因素。例如信号源的性质，是电压源还是电流源；负载的性质，集成运放输出电压和电流的是否满足要求；环境条件，集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求。

16. 高速型运算放大器的特点 • 高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715等，其SR=50~70V/ms，BWG＞20MHz。 • 高速型运算放大器的应用 • 应用于快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大的地方

17. ＺＦ４４０１型高速运算放大器 • 一、性能及用途： • 　　ＺＦ４４０１模块具有很高的压摆率和较快的建立时间，能提供高的输入阻抗，１５ＭＨＺ的带宽和较好的热稳定性，可用于高速电压跟随器，快速采样保持电路，瞬变电信号的检测等。 • 在性能、指标和用途上可替代国外模块如ＡＭ１００、ＡＭ１０１、ＡＤ４４、ＡＤ４８、３４０１、３４０２等。 • 二、极限参数： • 电源电压：±１８Ｖ • 输入电压范围：±１０Ｖ • 输出短路时间：无限长 • 三、电参数表： • ＴＡ＝２５℃ Ｖｓ＝±１５Ｖ （除非另有说明）

19. 四、外形及引线排列（底视）： • ①调零 ②反相输入 ③同相输入 ④调零 ⑤正电源 ⑥接地（公共端） ⑦负电源　⑧输出 ⑨空脚

20. 五、基本接线图（反相比例放大器）：

21. 六、应用举例 • １．高速电压跟随器

22. ２．快速采样保持电路

23. ３．使用梯形网络的Ｄ／Ａ转换器

24. 双高速低噪声运算放大器AD8022 • AD8022由两个低噪声的高速电压反馈放大器组成。它的两个输入端产生的电压噪声只有2．5nV／Hz。同时具有带宽宽，失真小等特性。当驱动电容负载时，AD8022具有较高的输出电流和较好的稳定性。它的功耗较小，在5V到±12V的电源下工作时，每个放大器仅消耗4．0mA的静态电流。AD8022采用8脚microSOIC和SOIC封装。由于其过电压恢复时间短，带宽宽，所以它可以作为非对称数字用户线（ADSL：Asymmetric Digital Subscriber Line）、超高速数字用户线（VDSL：Very－high－data－rate Digital Sub－scriber Line）以及其它xDSL收发信机的接收信道前端。另外，AD8022中的两个独立的电压反馈放大器也可以作为线路变压器的差动接收器或xDSL线路接口电路的有源滤波器。图1所示为AD8022的引脚排列图。

25. 2特性参数及性能2 ．1最大功率损耗AD8022的最大功耗受外壳结温的限制。对于塑料封装的器件，它的最大安全结温大约为150℃。一旦超过这个限制，会使外壳与基底的应力发生改变，从而引起性能参数的漂移。若长时间地使结温高于175℃，则会造成器件的失灵。虽然AD8022具有短路保护功能，但这仍不能充分保证器件在各种条件下都没有超过结温。为了确保器件的安全，必须根据最大功率降额曲线来进行操作。

26. 2．2电源和退耦　　为了使AD8022能够发挥较好的技术性能，应提供高质量的±12V电源。同时在工作中，必须注意对电源引脚端的退耦。对于低频信号，应在AD8022附近放置一对10μF的电容。另外，在每个引脚旁，也应尽可能近地连接一个0．1μF的退耦电容。  2．3性能参数AD8022具有低噪声、低失真、低功耗、高速度等性能。表1给出了AD8022的主要性能参数（工作条件为T＝25℃，Vs＝±12V，RL＝500Ω，G＝1）。

27. 3工作原理AD8022是电压反馈式放大器，它是在ADI公司独有的超快互补双极性技术的基础上制成的。这种技术可以使PNP和NPN三极管在4GHz范围内具有相似的结构。为了排除由于结型绝缘引起的寄生和闭锁问题，这种技术与介质是绝缘的。超快互补双极性技术的这些特点保证了AD8022的高频率、低失真及低电源电流的性能。　　图2所示为AD8022的内部电路简图。AD8022的输入级由一个NPN差动对组成，其中每个三级管的集电极电流为300μA，这给输入器件提供了一个较高的跨导。因此，在100kHz时，AD8022的输入噪声仅为2．5nV／Hz。AD8022输出级的电流增益可高达10000，因此，即使接入一个低负载阻抗，AD8022仍能维持一个很高的直流开环增益。

28. 高速运算放大器AD8045的应用 • 超低失真电压负反馈运算放大器AD8045是ADI公司的高增益运算放大器，具有高速、低噪声和超低失真等优异特性，在20MHz的条件下，动态范围可以达到-90dBc，在有源滤波器、ADC驱动器等要求高性能放大电路的设计和使用中，AD8045是一种极佳的首选器件。AD8045为LFCSP封装，这种封装为PCB板提供了低热阻抗，将使高温传递更加有效，提高了性能和稳定性并使其工作温度范围达到：-40℃~+125℃。这种新的标准引脚排列减少由正输入引脚和负电源引脚之间的耦合所引起的互感，以及由此而产生的失真。引脚的这样排列也改善了二次谐波失真和简化了PCB电路板的布局。

29. AD8045是一种增益稳定、1 GHz带宽的电压反馈放大器，它具有1350 V/HZ转换速率和7.5 ns达0.1%的建立时间。低噪声和无杂散动态范围，从而使它非常适用于在高速工作条件下具有高分辨率的系统。AD8045除了具有这些理想的交流技术指标外，还显示出优良的直流特性。该放大器可在3.3 V ~ 12 V电源电压范围内工作。所以对于那些需要高动态范围，高精度和高速的系统来说，AD8045是最理想的候选器件之一。 • (a)同相输入联接方法                   (b)反相输入联接方法图1   AD8045的基本连接方法

30. 有源低通滤波器的实现有源滤波器应用在许多诸如选择滤波器或者高频通信中的信息收集器等领域。若设计一个具有高转换速率，增益带宽为400MHz的器件，AD8045是有源滤波器的理想候选器件。图2给出了截止频率为90MHz，4阶S-K结构低通滤波器，该滤波器由两个二阶的S-K基本电路级联而成的，每一部分的增益为G＝+2，则电路的总增益为G＝+4或者是12dB。图中，。将电阻电容的值设置成相同会大大简化S-K滤波器。截止频率或者说是-3dB频率，品质因数，第一级电路增益，第二级电路增益。为了降低噪声、失调电压和放大器的频率响应，电阻应该保持一个较低的值。由于电路里低电容的应用，PCB布局和降低板间的寄生噪声将十分困难。几皮法都可能使截止频率失谐。为了得到较好的放大器滤波性能，电容的选择非常严格。像具有低温特性的NPO陶瓷电容和银云母电容都是滤波电路的较佳的选择。有源低通滤波器的实现有源滤波器应用在许多诸如选择滤波器或者高频通信中的信息收集器等领域。若设计一个具有高转换速率，增益带宽为400MHz的器件，AD8045是有源滤波器的理想候选器件。图2给出了截止频率为90MHz，4阶S-K结构低通滤波器，该滤波器由两个二阶的S-K基本电路级联而成的，每一部分的增益为G＝+2，则电路的总增益为G＝+4或者是12dB。图中，。将电阻电容的值设置成相同会大大简化S-K滤波器。截止频率或者说是-3dB频率，品质因数，第一级电路增益，第二级电路增益。为了降低噪声、失调电压和放大器的频率响应，电阻应该保持一个较低的值。由于电路里低电容的应用，PCB布局和降低板间的寄生噪声将十分困难。几皮法都可能使截止频率失谐。为了得到较好的放大器滤波性能，电容的选择非常严格。像具有低温特性的NPO陶瓷电容和银云母电容都是滤波电路的较佳的选择。

31. 高速ADC驱动器的实现用于ADC驱动器的AD8045提供失真性能方面的变压比较结果。大多数的ADC输入信号是直流耦合的模拟信号，工作在一个很宽的频率范围内。在这种情况下，连接到ADC上面的放大器才会有效。所以相连的放大器应该具有对输入信号的放大和电平移动能力，并和ADC输入范围保持一致。图3给出了AD8045实现一个14位65MSPS的AD9244差分驱动的示意图，放大器均设置噪声系数为+2，使用了同相输入和反相两种输入模式，以提供较好的匹配带宽。反相放大器的增益G＝-1，同相放大器的增益G＝+2，其中同相放大器的输入端被分成两个部分是为了输出的规范化并使之和反相输出相等。直流耦合差分驱动器最好工作在+/-5V下，在这种情况下，会使低失真性能达到最佳。AD8045的输出电压在AD9244的共模滤波器的2.5V范围之内。AD9244的共模滤波器参考电压经OP27缓冲和滤波送往用于电平移位电路的同相电阻网络。高速ADC驱动器的实现用于ADC驱动器的AD8045提供失真性能方面的变压比较结果。大多数的ADC输入信号是直流耦合的模拟信号，工作在一个很宽的频率范围内。在这种情况下，连接到ADC上面的放大器才会有效。所以相连的放大器应该具有对输入信号的放大和电平移动能力，并和ADC输入范围保持一致。图3给出了AD8045实现一个14位65MSPS的AD9244差分驱动的示意图，放大器均设置噪声系数为+2，使用了同相输入和反相两种输入模式，以提供较好的匹配带宽。反相放大器的增益G＝-1，同相放大器的增益G＝+2，其中同相放大器的输入端被分成两个部分是为了输出的规范化并使之和反相输出相等。直流耦合差分驱动器最好工作在+/-5V下，在这种情况下，会使低失真性能达到最佳。AD8045的输出电压在AD9244的共模滤波器的2.5V范围之内。AD9244的共模滤波器参考电压经OP27缓冲和滤波送往用于电平移位电路的同相电阻网络。