《你好，放大器》----学习记录(三)

3 多种多样的运算放大器

ADI把放大器分为精密和高速两大类

3.1 精密运放和高速运放

3.1.1 精密运放概述

一般来讲，带宽小于 50MHz 的，能够具有某些特殊指标优异性的运放，都属于精密运放

OP07

具有极小的失调电压，30μV 典型值，75μV 最大值，且只有 0.3μV/℃的温漂，0.3μV/month 的时漂，稳定性非常优秀
具有 114dB 的开环增益和 123dB 的共模抑制比，偏置电流只有 1.2nA
噪声指标也属优秀，只有 10nV/√Hz
具备很高的工作电压范围，一般可达 36V，极限可达 44V
价格低廉
带宽较低，只有 600kHz 左右

低失调电压运放

一般指失调电压小于15μV，ADI运放数据表：

图片来源于《你好，放大器》

低噪声运放

ADI运放数据表，看起来IB都比较大：

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低供电电压运放

以最小供电电压排序，ADI运放数据表：

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低偏置电流运放

在微弱电流检测中，低偏置电流很重要，ADI运放数据表：

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低功耗运放

一般来说，低功耗运放的频带都较窄，ADI运放数据表：

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低价格运放

ADI运放数据表：

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3.1.2 高速运放

以带宽排序，ADI高速运放如下：

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3.2 电流反馈型运算放大器(CFA)

电流反馈型运算放大器(Current Feedback Amplifier-CFA)，仍是运放的一种，只是其内部结构完全不同于电压反馈型(VFA,也就是传统的)，导致其外部特性有所不同

3.2.1 电流反馈型放大器的内核

电流反馈型运算放大器内部结构如图所示，正输入端是高阻输入的，等效于一个 1 倍增益的跟随器，跟随器输出和负输入端之间有一个小阻抗 ZB(一般为几十欧姆)。使得 CFA 的入端压差演变成入端电流 i，CFA 以此电流作为控制源，镜像出以 GND 为基准的另一个电流 i。此电流在内部流经一个很大的阻抗 Z，又一次形成了电压 iZ，带一个很小的输出阻抗 ZO到输出端。CFA 与 VFA 最大的区别在于负输入端，CFA 的负输入端是低阻的

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3.2.2 基本分析方法

电流反馈型运算放大器组成的同相放大器，如图所示：

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设负端对地电位为uA，假设输出阻抗Zo = 0，下式成立：

uo = iZ，得：

电流反馈放大器的主要放大能力来自于非常大的 Z，使得后一项分母近似为 1，则：

类似的分析可以得出，对反相输入放大器来说，其电压增益为：

3.2.3 CFA和VFA传函对比

CFA 内部影响频率特性的主要因素是 Z，极大的 Z 必然存在并联的杂散电容 C，因此：

推导步骤省略，电流反馈放大器的传函为：

电压反馈型运算放大器组成的同相放大器，如图所示：

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电压反馈型运算放大器的传函为：

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3.2.4 优缺点总结

**电流反馈运放与电压反馈运放的主要应用区别为： **

电流反馈运放一般具有更高的压摆率，可以达到 5000V/μs 以上，在大幅度输出，提高满功率带宽上有明显的优势
电流反馈运放不具有增益带宽积固定的限制。对于电压反馈型运放来说，当增益提高 10倍，粗略分析其带宽应下降到 1/10。但对于电流反馈型运放，当闭环增益变大时，其闭环带宽并不随之成比例下降。因此，电流反馈运放更适合于实现单级较高增益的放大电路
电流反馈运放一般都具有较低的噪声、较高的失调电压和偏置电流
对电流反馈运放的使用有一定的限制。当要用它作为电压跟随器时，必须用电阻串联到反馈回路中。另外，电流反馈放大电路的反馈电阻需要缜密选择，不同增益下应具有不同的反馈电阻，多数的器件 Datasheet 中对此都有说明
电流反馈运放主要用于高速、需要较高压摆率、单级电压增益较大的场合

3.2.5 ADI的电流反馈型放大器

按照压摆率排序，如下：

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3.3 全差分运算放大器

全差分运算放大器，三个输入端两个输出端的运算放大器，与标准运放一样，也需要外部电阻配合形成负反馈才能实现放大功能

3.3.1 全差分运算放大器概述

全差分运放具有两个输入端 VP和 VN，两个输出端 VOUT+和 VOUT-，一个控制输出共模的输入端 VOCM，以及两个电源端。全差分运放具有特殊的内部结构，正常工作情况下具有如下特性：

两个输出端的平均值始终等于VOCM
全差分放大器对两个输入端之间的差值进行开环高增益放大，放大后的结果表现在两个输出端的差值上
两个输入端流入电流始终为 0，即虚断

优点：

可以实现差分信号传递，进而抵抗外部共模干扰
在相同电源电压下，能够提供 2 倍的信号动态范围
能够有效降低信号传递中的偶次谐波，减少失真

3.3.2 常见电路分析方法

单端输入转差分输出

如果ADC是差分输入型的，而原始信号是单端输出的，则多数情况下需要如下“单端转差分电路”：

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分析上图电路，定义两个比值：

根据虚短，引入一个未知量：

根据全差分运放性质，约束两个输出：

根据虚断，流过两个电阻上的电流相等：

列出三个独立方程，解出：

为了让电路更加对称，一般：

结果变得简单：

含阻抗匹配的单端输入转差分输出

高频放大电路中，特别讲究阻抗匹配。阻抗匹配中要求信号路径上不发生电阻突变，也不存在电阻不等，而传输线等效阻抗一般为 50Ω 或者 75Ω，夹在前级输出和后级输入之间。所以，多数情况下，信号源或者前级放大电路的输出阻抗一般选为 50Ω，以便与传输线等电阻，而后级放大电路的输入阻抗也必须是 50Ω，以与传输线匹配

高频时单端输入转差分输出，左图为实际电路，右图为等效电路：

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上图的左图，已知输入为单端信号ui，具有50Ω输出阻抗，要求将其变为差分输出信号，增益为G倍，即uout+ - uout- = Gui，且输出对称，满足入端阻抗匹配。Rx、Ry、Ra、Rb为待求电阻

为满足入端阻抗匹配，uy处信号大小应为0.5ui。图中左电路化简为右电路，设临时系数k

解得：

根据输入阻抗定义，可得uy点信号为0.5ui

R3 = 50k代入上式：

设Ra = x，整理得：

由此解得：

全差分运放的其他电路形式

全差分运放更多用于 ADC 驱动电路、单端差分转换等。全差分信号放大(差分进，差分出)，如图所示，全差分放大器可以多级级联，始终保持差分信号传递。在低频信号链中，无需考虑信号端接中的线缆阻抗匹配，设计相对简单。各级输出阻抗均为 0，可以直接耦合

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高频全差分信号传递中，一旦信号线过长或者使用传输线缆，则一定需要考虑阻抗匹配以保持尽量小的反射，电路图如下：

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全差分仪表放大器与传统仪表放大器的唯一区别是，前者的输出是差分的，而后者是单端输出。如图所示，增益计算非常简单，两个部分相乘。前部为标准运放部分的，后部为全差分放大器的

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3.3.3 ADI的全差分放大器

ADI的全差分放大器：

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其中，标 C 是指标准结构，电流反馈型。标 V 是指标准结构，电压反馈型。固定多少倍，是指 ADI 生产的产品内部嵌了电阻，只能实现指定的倍数，而内 6 电阻是每个放大器都嵌了 6 个电阻，可以实现 3 种放大倍数

致谢杨建国老师著作《你好，放大器》

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