基于TI器件的电子竞赛常用模拟系统设计与实践——第3课 基本放大电路

  [复制链接]

14

主题

29

帖子

153

积分

二氧化硅

Rank: 2

积分
153
查看: 1368回复: 5 发表于 2019-5-4 11:11:40   只看该作者
本帖最后由 xxl1925 于 2019-5-4 11:20 编辑

第3课    基本放大电路

1.反相放大电路
      反相放大电路是信号从运放反相端输入的应用电路,具有输出信号与输入信号极性相反,输入电阻不高,可以作为电流输入型运算电路,无共模输入电压,噪声较小,信噪比高等特点。其电路如图1.3.1所示。当R1= Rf时,放大电路输出电压等于输入电压的负值,因此也称为反相器。R1的取值要远大于输入信号的内阻,通常取值范围为几千欧姆至几十千欧姆;反馈电阻Rf不能取得太大,否则会产生较大的噪声及漂移,其值一般取几千欧姆到几百千欧姆之间。反相放大电路由于采用了负反馈控制,所以性能稳定,但其主要缺点是输入电阻较低。
图1.3.1  反相放大电路.jpg
图1.3.1  反相放大电路
2.同相放大电路与电压跟随器
      同相放大电路具有输入电阻很高,输出电阻很低的特点,广泛用于前置放大器中。电路原理图如图1.3.2所示。输出和输入极性相同,放大倍数大于1;输入电阻为运放同相端对地的共模输入电阻,一般为108W及以上。该电路的缺点是易受干扰(输入电阻高易感应杂散电磁场)和精度低(运放输入端的共模信号等于输入信号)。
图1.3.2  同相放大电路.jpg
图1.3.2  同相放大电路
      若R1为∞(开路)时,则AF为1,同相放大电路构成一个电压跟随器。由于此时电路几乎不从输入信号吸取电流,因此可视作一个电压源,是比较理想的阻抗变换器。
      使用电流反馈(CFB)型运放设计电压跟随器时注意,运放的输出端与反相端是不能短接的,这样会破坏CFB运放的稳定性,导致电路出现振荡现象。正确的做法是在反相输入端和输出端接入电阻Rf(取值可以参考数据手册上的推荐值),如图1.3.3所示。
图1.3.3  电流反馈型运放构成电压跟随器的正确接法.jpg
图1.3.3  电流反馈型运放构成电压跟随器的正确接法
【例1.3.1】使用运放设计一个高频10倍放大电路:要求输入信号Vpp≤ 100mV,-3dB带宽为90MHz。
(1)运放芯片选型
      根据题目要求,带宽必高于90MHz,放大倍数10V/V,应选择单位增益带宽(GBW)高于900MHz的运放;又要保持带内增益平坦,选择电流反馈型比较合适。因此,本设计选用电流反馈型运放THS3201(单位增益带宽为1.8GHz)进行电路设计。电路如图1.3.4所示。
图1.3.4  高频10倍放大电路.jpg
图1.3.4  高频10倍放大电路
(2)阻值选择
      R2和R3的选择来自THS3201数据手册中的数据表:G=+10V/V时,R3=464Ω。这里选择R3=470Ω,R2=51Ω。由于信号频率高,所以选择特性阻抗为50Ω的射频同轴电缆线连接,输入输出连接50Ω的输入和输出电阻与之进行阻抗匹配。
(3)测试结果
      该放大电路的幅频特性曲线如图1.3.5所示,由图可见满足设计要求。
图1.3.5  幅频特性曲线图.jpg
图1.3.5  幅频特性曲线图
3.加(减)法电路
      根据叠加定理,当有多路信号输入时,反相和同相放大电路可构成加法电路,如图1.3.6所示。加法电路在波形平移、极性变换、零点调节等电路中得到大量使用。反相加法电路中,由于运放反相端为虚拟地,可保证输入信号间不会发生串扰。同相加法电路中,由于运放同相端电位不为0,将会在输入信号间引入串扰,从而影响输出精度;为了尽可能减少输入间的串扰,R1和R2的取值要尽可能的大。也正因为如此,反相加法电路应用更为广泛。
图1.3.6  两路输入的反相和同相加法电路.jpg
图1.3.6  两路输入的反相和同相加法电路
     反相加法电路中,若使其中一个信号u1经过一级反相后再作为输入信号,则加法电路可以变为减法电路,如图1.3.7所示。
图1.3.7  两路输入的减法电路.jpg
图1.3.7  两路输入的减法电路
4.基本差分放大电路
      如图1.3.8所示电路,当R1=R2,Rf=Rp 时,构成一个基本差分放大电路。其差模电压增益为
式1.3.1.jpg                         (1.3.1)
  当R1=R2=Rf=Rp 时,图1.3.8电路为减法器,输出电压为
式1.3.2.jpg                                (1.3.2)
图1.3.8  基本差分放大电路.jpg
图1.3.8  基本差分放大电路
      在实际使用中,差分放大电路的电阻参数很难完全匹配,导致共模抑制能力下降,这时可采用专用差分放大器,如AMP03、INA117、INA128和INA132等。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部,其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。
      基本差分电路虽然可以达到放大差模信号,抑制共模信号的目的,但存在输入电阻较低、增益调节不方便的缺点。例如,当差模放大电路的两个输入端分别接入两个信号源时,信号源的内阻可视为输入电阻中的一部分。因此,如果两个信号源的内阻不相等,对共模抑制比的影响会非常明显。并且差模放大倍数也会受到影响。为了减小信号源的影响,可以使用仪表放大器。
仪表放大器用来测量噪声环境中的弱信号。由于噪声通常是共模的,而信号应该是差分的,所以仪表放大器利用其共模抑制(CMR)特性将有用信号与噪声区分开。常见的仪表放大器基于三运放结构(如图1.3.9所示)。两个运算放大器用作前置放大器,其后跟随一个差分放大器。前置放大器提供高输入阻抗、低噪声和增益级;差分放大器抑制共模噪声,并能提供必要的额外增益。鉴于这种配置的对称性,输入放大器中的共模误差常常被差分放大器输出级消除。这些特性使得该三运放仪表放大器配置能够提供最高性能,也是其大受欢迎的原因所在。
图1.3.9  三运放结构的仪表放大器.jpg
图1.3.9  三运放结构的仪表放大器

打赏

参与人数 1赫兹币 +5 收起 理由
shengxiang + 5 赞一个!

查看全部打赏

25

主题

128

帖子

588

积分

单晶硅锭

Rank: 3Rank: 3

积分
588
发表于 2019-5-5 08:40:37   只看该作者
谢谢老师分享

0

主题

20

帖子

424

积分

二氧化硅

Rank: 2

积分
424
发表于 2019-5-10 12:39:29   只看该作者
感谢

3

主题

60

帖子

390

积分

二氧化硅

Rank: 2

积分
390
发表于 2019-6-27 19:59:04   只看该作者
请问数据手册中为何R3取464Ω这样的值呢,比例运算电路中两电阻的取值应该取多大比较合适啊

14

主题

29

帖子

153

积分

二氧化硅

Rank: 2

积分
153
发表于 2019-6-28 19:51:48   只看该作者
liujie 发表于 2019-6-27 19:59
请问数据手册中为何R3取464Ω这样的值呢,比例运算电路中两电阻的取值应该取多大比较合适啊 ...

这是官方推荐的取值,估计和芯片内部设计有关。不过对于高频芯片来说,一般情况下,反馈电阻和带宽成反比。

3

主题

60

帖子

390

积分

二氧化硅

Rank: 2

积分
390
发表于 2019-6-30 13:24:20   只看该作者
xxl1925 发表于 2019-6-28 19:51
这是官方推荐的取值,估计和芯片内部设计有关。不过对于高频芯片来说,一般情况下,反馈电阻和带宽成反比 ...

好的,受教了
快速回复 返回顶部 返回列表