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发表于 2019-3-21 09:55:00
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关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
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本节文字课程相关视频：
1. 输入阻抗与偏置电流
2. 零漂移放大器与电流反馈放大器
1输入阻抗与偏置电流
在讲解实际运放输入阻抗与偏置电流参数之前，我们先来看图1所示电路仿真。图1是一个衰减隔离电路，常用于示波器的信号调理电路中的第一级。
1) 用于衰减的分压电阻R1和R2阻值必须取的很大，因为这样示波器的探头输入阻抗才能足够高（不影响待测电路）。
2) 用于隔离的缓冲器电路采用同相比例运算电路构成，以确保不影响分压电阻的分压比。
3) 任何信号调理电路都会降低系统带宽，因此运放的种类选择高速运放OPA842，尽量减小对带宽的影响。
图1所示电路输入信号选择为1kHz/2VPP的正弦波，按常理，运放输出应该是1kHz/200mVPP的纯交流正弦波，但是瞬时仿真的结果却是图2所示：
1) 输出信号VM1严重偏离0V，分离曲线以后，利用指针工具可以得出VM1的直流偏移为：
（1）
2) 指针工具可直接读出VM1的峰峰值为190.85mV，这也略小于理论值。理论值应该是1V幅值信号衰减10倍，峰峰值应该为200mV（峰峰值为幅值两倍）。
在解释仿真现象之前，我们查阅一下OPA842的说明书，“ELECTRICAL CHARACTERISTICS: V=±5V”表格的节选部分如图3所示：
1) 在交流特性（AC PERFORMANCE）栏，我们可以找到前面提到过的压摆率（Slew Rate）的参数的典型值为400V/μs，在“最恶劣”情况下压摆率为225V/μs。在说明书中给出极限参数是大厂产品的风范，山寨小厂芯片往往只有典型值，而不敢标示极限值。
2) 在直流特性（DC PERFORMANCE）栏，有输入偏置电流（input bias current）参数的典型值为-20μA。输入偏置电流的含义是即使不加载交流信号，晶体管也是需要“预先”导通的，这就是偏置电路的作用。输入偏置电流当然希望越小越好，否则运放就难以认为是虚断的。一般的，双极性晶体管输入级的运放的输入偏置电流在μA数量级，FET晶体管输入的在pA至nA数量级。
3) 在输入（INPUT）栏，可以看到前面提到的共模抑制比（CMRR）。OPA842的CMRR典型值为95dB，这意味着运放大差模信号的能力是放大共模信号能力的56万倍（1095/20）。差模信号定义为运放两个输入端信号之差，共模信号定义为运放输入端的平均值。
4) 在输入（INPUT）栏，还可以看到输入阻抗（InputImpedance）的参数。输入阻抗包含输入电阻与输入电容。一般的，双极性晶体管输入级的运放的输入阻抗在兆欧数量级，FET晶体管输入的在千兆欧数量级。
图4所示的仿真异常可以用输入偏置电流和输入阻抗来解释。
1) OPA842的输入偏置电流典型值为-20μA，看似很小，但是该电流加载在100kΩ的电阻R2上，产生的电压就是-2V。这也就是没有信号输入时，运放同相输入端的实际电压。仿真结果为-1.775V，是基本符合的。
2) OPA842的输入阻抗只有MΩ，与100kΩ的R2并联，是会影响并联后电阻值。所以电阻分压比将会略低于1:10。
对于示波器第一级信号调理这种用途，隔离运放只能选择高速FET输入的运放，比如OPA659，如图4所示。仿真结果如图5所示，各项指标完美。
1) 根据OPA659的说明书，输入偏置电流根据温度不同从最好的±10pA至最糟糕的3200pA。这样一来，在运放输入端产生的偏置电压比使用OPA842时要小万倍以上，完全可以忽略。
2) OPA659的输入阻抗也极高，说明书中的典型值为1012Ω，与R2并联以后的影响也可以忽略不计。仿真结果也印证结果，输出电压峰峰值为199.75mV。
3) 是不是FET（场效应晶体管）运放一定比BJT（双极性晶体管）运放好用呢？OPA842和OPA659的价格差别并不大。甘蔗没有两头甜，OPA659的输入失调电压要大于OPA842，这意味着直流特性方面FET OP不如BJT OP，而且OPA659的CMRR典型值仅有70dB，也比OPA842差。
图5 高速FET输入运放的衰减缓冲电路瞬时现象仿真
2 失调电压与零漂移放大器
上一节提到了输入失调电压，本节解释一下这个参数的意义。将运放的输入端都短接（比如接地），按理说输出应该是0V，但实际输出并不是0。逐渐调节输入端电压，达到压差VOFFSET时，输出刚好为0，这个电压VOFFSET就是输入失调电压。失调电流的含义类似，描述的是同一现象。失调电压和失调电流的本质都是运放漂移带来的，只不过人为用了一个定义来量化漂移的程度。
虽说失调电压的定义明确了，但我们还是不明白这个参数的好坏意味着什么。图6所示的仿真可以帮助我们理解失调电压在运放使用中的意义。
1) 两种运放都接成了1000倍放大，信号源都相同，实际给的是1mV的阶跃信号，所以输出电压应该为1V直流电压。
2) OPA659是高速放大器，LMP2021是零漂移（Zero Drift）精密放大器。
3) 图7所示的仿真结果表明，LMP2021的输出为精确的1V，而OPA659的输出则在1.3V左右（实际情况会更糟糕），这就是漂移带来的影响。
4) 一般放大器会外接调零电路来补偿漂移，而零漂移（Zero Drift）放大器内部采用了自校准电路来实现这一功能。零漂移不仅指的是输入失调电压极小，同时它的温度漂移也远小于普通运放。
5) 进一步考察图7仿真图，我们可以看到OPA659高速放大器的压摆率（SR）要远大于LMP2021，所以电压建立的速度才能这么快，这也是高速运放“高速”的本质。
3 电流反馈运算放大器
到目前为止，本书所讲授的各种运算放大器，包括内部构造原理，都指是电压反馈型运算放大器（Voltage Feed Back 简称VFB）。实际上还有一大类特殊构造的电流反馈型运算放大器（Current Feed Back简称CFB），它们在原理上不受增益带宽积（GBW）的束缚，专门用于高速放大场合。有关两种放大器的GBW理论可自行网络搜索。
相比VFB，CFB型OP使用时有一些特殊注意事项。当结论记下即可，当发生问题时，再具体查找退敌良策：
1） CFB运放的基本运算放大计算公式与VFB是一样的。
2） CFB运放的同相反相端电路结构不对称，反相输入端阻抗比较低。例如OPA691的同相输入端阻抗为100kΩ，反相端仅为35Ω。由于输入结构就不对称，所以输入电阻也无需匹配。
3） CFB运放电路中，反馈电容CF是不允许存在的，会引发剧烈振荡，所以CFB运放不能做积分器，也不能像VFB那样通过CF来消除振荡。
4） CFB运放的性能与稳定性与RF密切相关，取值应参照芯片说明书。减小RF可获得更大带宽，但是RF过小会发生振荡。同理，CFB运放不能做缓冲器（RF=0）。
欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~
课后问答：
1、 选择题：对于高内阻信号的放大，以下说法正确的是？？（ ）
A. 应该使用反相放大电路
B. 应该使用同相放大电路
C. 应该使用高输入阻抗运放
D. 应该使用低输入阻抗运放
2、选择题：应该使用零漂移放大器的场合是？（ ）
A. 输入信号幅值高
B. 输入信号幅值低
C. 放大倍数大
D. 放大倍数小
3、选择题：对于电流反馈运算放大器，下列说法正确的是？（ ）
A. 均为高速运放
B. 有高速运放也有低速运放
C. 电压放大倍数的公式与电压反馈运算放大器一样
D. 可以加补偿电容
4、判断以下说法是否正确：
运放偏置电流越大，运放虚断的假设就越靠谱。（ ）
参考答案： 1、BC 2、BC 3、AC 4、错误
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