德州仪器高性能模拟器件高校应用指南-运算放大器.pdf

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运算放大器

德州仪器高性能模拟器件高校应用指南-运算放大器

2+运算放大器

前言作为世界领先的半导体产品供应商，TI 不仅在 DSP 的市场份额上有超过 65％占有率的绝对优势；在模拟产品领域，TI 也一直占据出货量世界第一的位置。而本手册是针对中国大学生创新活动的简化选型指南，帮助老师和同学们快速了解 TI 的模拟产品。需要提醒大家的是，这本手册仅仅涵盖了 TI 模拟产品的一小部分，如果您需要更为全面细致的选型帮助和技术文档，请访问 www.ti.com/analog 以获取运算放大器，数据转换器，电源管理，时钟，接口逻辑和 RF 等产品信息，访问 www.ti.com/mcu 以获得更多 MSP430,Tiva 和 C2000 的产品信息。众人拾柴火焰高，如果你读过本手册的前面几个版本，一定会对其中略去的几个章节耿耿于怀，也会对其中草草结束的部分感到不满，今年在 TI 中国大学计划工程师团队的共同努力下,我们基于 2012 年的版本将本手册进行了第一阶段的充实工作。比如我们加入了原理部分，解读了放大器，数据转换器，电源的指标和选型方案；比如我们完善了应用技巧相关的章节，突出了实际操作中需要注意的问题，比如噪声控制，PCB 设计，等等；比如我们开始逐步强调模数混合系统设计的重要性，毕竟在现代的电子系统中，纯模拟的模块已经越来越少了。诸如这些改进，都是为了把更多的业界先进技术带给高校学生，加强同学们的工程实践能力，培养系统设计意识。本手册将分为以下几部分介绍信号链和电源相关的知识及 TI 产品在大学生创新活动中的应用：第一部分：运算放大器的原理和设计，由王沁工程师整理和编写；第二部分：数据转换器的原理和设计，由崔萌工程师整理和编写，钟舒阳和谢胜祥两位工程师也参与了其中的部分章节；第三部分：线性电源和开关电源的原理和设计，由胡国栋工程师整理和编写，汪帅工程师也参与了其中的部分章节。全书由黄争规划并进行了校对和修改。但是由于时间仓促，水平有限，手册中一定存在不少错漏，请大家积极给予反馈，提出宝贵意见。欢迎大家发邮件给 frank-huang@ti.com 讨论手册中的各种问题。德州仪器中国大学计划 2013 年 8 月

目录第一部分运算放大器篇前言 ................................................................................................................................................. 1 TI 概览 ............................................................................................................................................... 1 第一章运算放大器基础 ................................................................................................................. 1 1.1 概述 ....................................................................................................................................... 1 1.2 放大器基础 ........................................................................................................................... 1 1.3 理想运放模型 ....................................................................................................................... 2 1.3.1 理想运算放大器特点 .................................................................................................. 2 1.3.2 “虚短”和“虚断” .................................................................................................. 3 1.3.3 叠加定理 ...................................................................................................................... 4 1.4 基本运算电路 ...................................................................................................................... 4 1.4.1 同相放大器 ................................................................................................................. 4 1.4.2 反相放大器 .................................................................................................................. 5 1.4.3 加法器 .......................................................................................................................... 6 1.4.4 简化运算放大器电路图 .............................................................................................. 7 第二章运算放大器的指标 ............................................................................................................. 9 2.1 开环增益、闭环增益和环路增益 ....................................................................................... 9 2.2 放大器的直流精度 ............................................................................................................. 12 2.2.1 放大器输入端的直流指标 ........................................................................................ 12 2.2.2 放大器输出端的直流参数指标 ................................................................................ 18 2.3 放大器的交流精度 ............................................................................................................. 20 2.4 其他指标 ............................................................................................................................. 24 I

第三章精密放大器选型 ............................................................................................................... 33 3.1 TI 精密运算放大器............................................................................................................. 33 3.2 精密放大器选型步骤 ......................................................................................................... 36 3.3 TI 精密运算放大器列表 ..................................................................................................... 40 第四章运放单电源供电 ............................................................................................................... 42 4.1 单电源运放 ......................................................................................................................... 42 4.2 单电源运放电路的基本偏置方法 ..................................................................................... 42 4.3 其他一些基本的单电源供电电路 ..................................................................................... 46 第五章各种差动放大器解析 ....................................................................................................... 49 5.1 差分放大器基本概念 ......................................................................................................... 49 5.2 差分放大器 ......................................................................................................................... 50 5.3 仪表放大器 ......................................................................................................................... 52 5.4 电流检测放大器 ................................................................................................................. 58 5.5 全差分运算放大器 ............................................................................................................. 62 第六章放大器的稳定性 ............................................................................................................... 70 6.1 运算放大器为什么会不稳定？ ......................................................................................... 70 6.2 分析运算放大器的工具：波特图 ..................................................................................... 72 6.3 断开交流反馈环路以获得 Aol 和 1/β 的波特图的方法 .................................................. 76 6.4 使用 TINA-TI 判断运放的稳定性 .................................................................................... 79 6.5 修改 Aol 的补偿方法：添加 RISO ................................................................................... 86 6.6 修改 1/β 的补偿方法：增大噪声增益和添加 CF ............................................................ 89 第七章高速放大器的选型 ........................................................................................................... 95 7.1 高速放大器的关键指标 ..................................................................................................... 95 7.2 Bipolar & FET 输入的高速放大器 ..................................................................................... 97 7.3 电压反馈、电流反馈和去补偿型高速放大器 ................................................................. 98 II

7.3.1 什么是电压反馈，什么是电流反馈？ .................................................................... 98 7.3.2 电压反馈放大器和电流反馈放大器的区别：带宽 vs 增益 ................................... 99 7.3.3 电压反馈放大器和电流反馈放大器的区别：反馈电阻的取值 ........................... 101 7.3.4 电压反馈放大器和电流反馈放大器的区别：压摆率 ........................................... 103 7.3.5 何时选用电压反馈放大器，何时选用电流反馈放大器？ .................................. 104 7.3.6 去补偿（Decompensate）电压反馈放大器 ........................................................... 104 7.4 可控增益放大器的应用 ................................................................................................... 108 7.5 高速放大器的布局布线 ................................................................................................... 112 7.5.1 什么时候需要高速印制电路版？ ........................................................................... 112 7.5.2 信号完整性基础 ...................................................................................................... 113 7.5.3 正确的高速 PCB 设计指南 ..................................................................................... 116 第八章有源滤波器设计 .............................................................................................................. 128 8.1 滤波器基本原理 ............................................................................................................... 128 8.2 Webench 和有源滤波器设计 ........................................................................................... 130 8.3 Filterpro 和有源滤波器设计 ............................................................................................. 136 8.4 运放的选择 ....................................................................................................................... 138 8.5 过采样简化模拟滤波器设计 ........................................................................................... 139 8.6 多阶滤波器如何增强过渡带的陡峭度 ........................................................................... 141 模拟设计小集锦 ............................................................................................................................ 145 CMOS 运放的 THD+N ............................................................................................................ 145 单电源运放的轨到轨输入 ...................................................................................................... 147 输出达不到轨到轨 .................................................................................................................. 151 放大器的输入偏置电流 .......................................................................................................... 156 Sallen-key 低通滤波器的高频馈通现象 ................................................................................. 158 III

TI 概览德州仪器公司，Texas Instruments，即 TI，是总部在美国德克萨斯州的一家高科技企业。实际上 TI 的中文名字并不是特别的―清晰明了‖，一方面是容易跟咱们的山东德州（因扒鸡而闻名）混淆；另一方面，我曾被问到，参加你们的大学计划，买示波器这类―仪器‖打几折？在这些令人哭笑不得的问题背后，其实是 TI 近 80 年的悠久历史。德州是美国的主要石油产地， 1930 年 TI 的前身―Geophysical Service Inc.‖在德州成立时的主要目的是研发地震仪和石油探测仪器，因此 GSI 在 1950 年正式上市时就挑中了德州仪器这个名字。这也就是 TI 名字的由来。在 1958 年，TI 的工程师 Jack Kailby 先生发明了世界上首颗集成电路芯片，这项发明为人类进步做出了巨大的贡献， Jack Kailby 先生也因此在 2000 年获得了诺贝尔物理学奖。从此，半导体业务开始在 TI 发芽。但是，60/70 年代的美国企业追求的是大而全，TI 也不例外，拥有非常多的业务部门，这种情况一直持续到 90 年代中期。在这 30 年间，TI 在半导体研发方面一直保持着创新，从第一颗单芯片微处理器，到最简单的数字语音合成芯片“spell & speak”，到 1982 年的第一个单芯片数字信号处理器（DSP），到 1993 年发明的数字光源处理技术（DLP）片，半导体业务开始在 TI 的营收中占据着越来越重要的地位。在 1995 年的时候，TI 的营收达到了 130 亿美元，成为过百亿美元的财富 500 强，但有些业务在市场的排名并不十分理想，比如，笔记本电脑排名第九，企业软件排名第十，打印业务排名第九，国防工业排名第十，惟一排到第一位的就是 DSP 业务。面对更大的竞争和即将来临的网络时代，TI 高层锐意变革，在 90 年代初就非常有远见的提出了要做“数字时代的领导者”。1996 年 Tom Engibous 出任 TI 总裁，确定了 TI 的重点在半导体业务上，重中之重是 DSP 和 Analog。在 1996 年到 2000 年间，TI 连续卖出了 20 余家公司，又买入了 20 余家，完成了从多样化业务到半导体专营业务的转变。从此，TI 的半导体业务进入了高速发展期，在 DSP 方面，业界最快的 TMS320CC6000 系列、功耗最低的 TMS320C55xx 系列、第一颗运算速度超过 1GHz 的 C64x、第一颗 ADSL 调制解调芯片、 ARM+DSP 双核架构的 OMAP 处理器等一系列领先产品的推出，使得 TI 在 DSP 领域奠定了世界第一的地位。在模拟方面，TI 在 2000 年以当时创纪录的 60 亿美元收购了以设计和制造高端运放和数据转换器著称的 Burr-Brown 公司，这项收购非常大胆，因为当时 TI 的年收入也只有 130 亿美元。但是这也充分说明了模拟在 TI 战略中的重要性。接下来 TI 又收购了 Unitrode、Power Trends 等公司来壮大自己的电源方面的实力。在 2007 年，TI 收购了 Chipcon，在低功耗无线 1

通信领域又占据了市场份额第一的位置。在单片机方面，TI 在 90 年代末把 MSP430 从专供表类客户的应用中推到通用市场，其业界最低的功耗，集成的高性能模拟和数字外设都倍受客户青睐；C2000 数字信号控制器因为其 DSP 的性能，单片机的价格被誉为实时单片机；而在 2009 年 TI 收购了 Luminary Micro，以最快的方式拥有了 Cortex M3 单片机家族，TI M3 因其低廉的价格，通用的架构，不俗的性能在单片机市场上迅速占领了一席之地。从下面的系统框图中，我们可以清楚看到 TI 在每一个电子系统的每一个角落都占据着业界数一数二的地位。而正因为持续不断的创新和进取，TI 连续 7 年被《财富》杂志评为全球和全美国最受尊敬的半导体公司，评分远超其他半导体企业。 #1 DSP #3 MCU #1 ARM 数字信号处理是对理论和实践都要求极高的一门学科，采样理论，谱分析，滤波器设计，抽取，小信号提取，这些概念和算法包含了一大堆让人头晕眼花的数学公式。推导这些理论已经够让人头疼，那么怎么实现它们呢？TI 从第一颗 TMS32010 问世开始就一直致力于简化工程师实现数字信号处理算法的难度。1996 年 TI 进入中国设立办事处，当时中国熟悉 DSP 理论的人越来越多，但是如何使用硬件来实现这些理论却是个巨大的挑战。TI 管理层敏锐察觉到这个问题，抓住时机在中国高校中开展 TI DSP 大学计划，并在 1998 年和教育部签订谅解备忘录，承诺在中国高校中投资建立 100 个 DSP 实验室，帮助中国高校掌握和应用世界领先的 DSP 技术。2007 年 10 月，TI CEO 理查德.谭普顿先生来访中国，宣布核心大学计划在中国正式启动，这标志着 TI 将继续扩大对中国教育界的投入，比如 TI 中国大学计划将正式扩展到模拟技术和单片机领域，与高等学校进行合作，通过建立学生模拟创新实验室、对 2

教师进行模拟技术和单片机相关的专业知识培训、支持学生参加各种电子设计竞赛等形式，强调模拟及模数混合电路的重要性。在现代电子设计中，模拟技术和数字技术相辅相成，因此在一系列电子设计竞赛中，TI 的 MSP430、M3 和 C2000 系列单片机作为系统的核心处理器和模拟器件一起在合作省市中推广。在合作的过程中，我们深刻体会到学生对数字器件的感兴趣程度和掌握速度远远高于模拟技术。实际上，TI 各系列的 DSP 和单片机已做到高手遍布民间，学校实验室的技术一代传一代，很多还未毕业的学生就已经拥有了相当深的软硬件经验。相对于数字器件比较单一的硬件结构和编程思想，模拟器件的种类多指标细且用法灵活多变，很容易让人摸不着头脑，比如请看 TI 的模拟器件家族：如何从上表中众多的放大器、数据转换器和电源中选取到合适的产品，又如何针对他们各自的特点发挥出最佳的性能？而这本选型手册的目的就是为了帮助大家做到这一点。 3

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