TI电路设计指导手册:运算放大器.pdf

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非常实用的一本运算放大器设计手册,里面包括几乎所有在开发中能遇到的电路。放大器可提供放大器子电路设计理念,便于您快速借鉴这些理念来满足特定系统需求。每种电路都以“示例定义”的形式呈现。里面包括一些像食谱一样的分步式说明,并且带有能帮助您改进电路从而满足您的设计目标的公式。而且,所有电路都通过SPICE 仿真的验证。我们为每个电路推荐了至少一种放大器,但是如果有更适合您的设计的器件,您仍可进行更换。若想查看我们丰富的放大 器产品组合。TI出品必属精品。
目录 基木电路 信号调节 缓冲器(跟随器)电路. .5单端输入转差分输出电路,. ,,139 反相放大器电路 9采用反相止基准电压电终的反相运算放大器 同相放大器电路 14采用反相正基准电压电路的同相运算放大器 147 反相求和电路 18采用同相正基准电压电路的同相运算放大器 差分放大器(减法器)电路 23采同相正基准电压电路的反相运算放大器。 两级运算放大器仪表放大器电路 27单电源差动输入至差动输出交流放大器电路 级运算放大器仪表放大器电路 .31反相双电源至单电源放大器电路 163 积分器电路 35双电源、分立式、可编程增益放大器电路 ,168 微分器电路 交流耦合仪表放大器电路 电流感应 分立式宽带宽INA电路. ,·, 低噪声、远距离PIR传感器调节尜电路.., 跨阻放人器电路 利用NTC电路检测温度.. 输出摆可至GⅦD电路的单电源低侧单向电流检测解决方案..,..49 利用PTC电路检测温度 单电源、低侧、单向电流检测电路 53 采用全差分放大器的差分输入至差分输出电路 低侧双向电流检测电路 使用全差分放人器设计单端输入至差分输岀电路 198 具有瞬态保护功能的高侧、双向电流检测电路 ,64 高侧电流检测电路设计 69比较器 三十倍频负载电流感应电路 .73信号与时钟恢复电路 202 釆用电流输出电流检测放大器的高电压、高侧浮动巳流检测电路,..77其有和不具有迟湝的比较器电路 具有集成精密增益电阻器的低漂移低侧双向电流检测电路 82采用比较器的高侧电流检测电路 210 过流事件检测电路 87高速过流检测电路 215 信号源 具有迟滞功能的反相比较器电路 低功耗双冋电流检测电路 PWM发生器电路 91 具有迟滞功能的同相比较器电路 ,230 可调节基准电压电路 采用比较器的过压保护电路 235 电流源 采用集成基准的窗口比较器电路 低电平电压-电流转换电路 98弛张振荡器电路 热敏开关电路 ,,,,,247 滤波器 采庄比较器的欠压朱护电路 交流耦合(HPF)反相放大器电路 102窗口比较器电路 交流耦合(HPF)同相放大器电路. 采用比较器的过零检测电路 带通滤波反相衰减器电路 10 快速趋稳、低通滤波电路 11传感器采集 低通滤波、反相放人器电路 118单电源应变仪桥式放大器电路 非线性电路(整流器/钳位/峰值检测器) 光电二极管放大器电路 266 半波整流器电路 123音频 全波整流器电路 127同相麦克风前置放大器电路 270 单电源、低输入电压、全波整流器电路 131TIA麦克风放大器电路 275 压摆率限制器电路 模拟工程师电路设计指导手册:放大器 (第二版) 编辑者的话: 模拟工程师电路设计指导手册:放大器可提供放大器子电路设计理念,便于您快速借鉴这些理念来满足特定系统需求。每 种电路都以“示例定义”的形式呈现。里面包括一些像食谱一样的分步式说明,并且带有能帮助您改进电路从而满足您的 设计目标的公式。而且,所有电路都通过 SPICE仿真的验证 我们为每个电路推荐了至少一种放大器,但是如果有更适合您的设计的器件,您仍可进行更换。若想查看我们丰富的放大 器产品组合,您可访问tcom/ amplifiers 我们的电路要求您对放大器的概念有一个基本的了解。如果您不熟悉放大器设计,我们强烈建议您完成T高精度实验室 TIP凵)系列培训。T們PL包括一些有关介绍性主题的课程,比如器件架构以及应用特定的高级问题解决方案(使用理论和实 战知识) 若想査看有关运算放大器、模数转换器(ADC等内容的课程,请访问: ti. com. cn/precisionlabs 我们希望这一放大器电路资源汇总可以帮助改善您的设计。我们的目标是利用超值放大器电路构建块定期更新指导手册。 您可以访问 ti. com/ circuitcookbooks,了解您的版本是否为最新版本。如果您对我们的现有电路有仼何意见或建议,或者 希望下一版指导手册中包含其他放大器电路,请通过以下电子邮件地址联系我们:opampcookbook@stti.com 其他资源 T高精度实验室tcom/ precisionlabs TE2ETM社区ti,com/e2e 从介绍性概念到高级概念都包含的按需课程和教程,聚焦于应用 适合所有TI产品的支持论坛 特定的高级问题解决方案 提供实践实验室和评估模块(E) 运算放大器电路快速搜索及参数搜索ti.com/opamp-search TPL运算放大器实验平台,tcom/ TIPL-amp-em ·通过输入关键参数或选择电路功能搜索我们的运算放大器 TIPL SAR ADC实验平台,tcom/ TIPL-Data Converters-evm 运算放大器参数交叉参考tcom/ opampcrossreference 《模拟工稈师口袋参考书》tcom/ analogrefquide ·使用竞争产品器件编号查找类似的T放人器 ·PCB、模拟和混合信号设计公式;包括转换、表格和方程式 提供电子书、 iTunes和 Android应用程序及硬拷贝 DY放大器电路评估模块( DIYAMP-EVM)tcom/ DIYAMP-EVM 提供三种封装选项(SC70、SOT23和SoC)以及12种热门放大 《信号》电子版 ti. com/signalbook 器配置的单通道电路评估模块 包含有关设计主题(如失调电压、输入偏置电流、稳定性、噪声 等)的简短课程的运算放大器电子书 双通道DNY放大器电路评估模块( DUAL-DIYAMP-EVM) ti.com/dual-diyamp-evm TI Designs ti. com/tidesigns 采用soC-8封裝并提供10种热门放大器配置的双通道电路评 随时可用的参考设计(包含理论、计算、仿真原理图、PCB文件估模块 和基准测试结果) TNA-TwM仿真软件tcom.cn/tool/cn/ tina-t 全套 SPICE仿真器,用于直流、交流、瞬变和噪声分析 想了解更多电路? 包含用于波形加成的电路输入和后处理器 下载有关数据转换器的《模拟工 程师电路设计指导手 册》 模拟工程师计算器ti.com/analogical ·浏览放大器和数据转换器电路的 模拟工程师 ·ADC和放大器设计工具、噪声和稳定性分析、PCB和传感器上具 完整列表 请访问 ti. com/ circuitcookbooks Analogwire博客ti.com/analogwire ·由模拟专家撰写的技术博客(包括一些提示、技巧和设计技术) 德州仪器「T)公司2019年版权所有.⊙2019 Texas Instruments Incorporate TEXAS Analog Engineer's Circuit: Amplifiers INSTRUMENTS ZHCA785A-February 2018-Revised January 2019 缓冲器(跟随器)电路 设计目标 输入 输出 频率 电源 oMax 10V 10V 10V 10 100kHz 15 15V 设计说明 此设计用于通过提供高输入阻抗和低输出阻抗来缓冲信号。该电路通常用于驱动低阻抗负载、模数转换器 (ADC)和缓冲器基准电压。该电路的输出电压等于输入电压。 e Vo U1LM7332 设计说明 1.使用运算放大器线性输出运行范围,通常在A。_测试条件下指定该范围 2.小信号带宽由放大器的单位增益带宽决定。 3.检查数据表中的最大输出电压摆幅与频率间的关系图,以最大限度地减小转换导致的失真。 4.共模电压等于输入信号。 5.不要将电容负载直接放置在大于数据表推荐值的输出上 6.如果驱动低阻抗负载,可能需要高输出电流放大器。 7.有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、电容负载驱动、驱动ADC和带宽的更多信 息,请参阅设计参考部分。 CA785A-February 2018-Revised January 2019 缓冲器(跟随器)电路 5 Sboa269-Http://www-s.ti.com/sc/techlit/sboa269 版权⊙2018-2019, Texas Instruments Incorporated TEXAS INSTRUMENTS www.ti.com.cn 设计步骤 此电路的传递函数遵循 V。=V 1.验证放大器是否可利用所提供的电源电压达到期望的输出摆幅。使用在AoL测试条件中给出的输出摆 幅。放大器的输岀摆幅范围必须大于设计所需的输岀摆幅 14∨≤V。≤14V ·使用±15γ电源的LM7332的输出摆幅大丁设计所需的输出摆幅。因此,满足该要求 ·査看数据表中的输出电压与输出电流之间的关系曲线,验证是否叮实现与所需输出电流对应的所需输出电 压 2.验证在使用所提供的电源电压时不会超出放大器的输入共模电压。放大器的输入共模电压范闱必须大于 输入信号电压范围。 15.1V≤Vcm≤15.1 ·使用±15电源的LM7332的输入共模范围大于设计所需的输入共模范围。因此,满足该要求。 3.计算最大程度地降低转换导致的失真所需的最小压摆率 SR> 2 X T x Vp x f= 2 X TT x 10V X 100kHz=6. 28V/us LM7332的压摆率为152μs。因此,满足该要求。 4.验证器件将有足够的带宽用于所需的输出信号频率。 signal <f unit 100kHz < 7. 5MHz 所需的输出信号频率小于LM7332的单位增益带宽。因此,满足该要求 缓冲器(跟随器)电路 ZHCA785A-February 2018-Revised January 2019 6 Sboa269-Http://www-s.ti.com/sc/techlit/sboa269 版权⊙2018-2019, Texas Instruments Incorporated TEXAS INSTRUMENTS www.ti.comcn 设计仿真 直流仿真结果 10 四o> -10 TTT 10 8 10 Input voltage 交流仿真结果 -3dB BW=7.4MHz TTT 100 10k 100K 1MEG 10MEG 100MEG requency(Hz) 设计参考 请参阅《模拟工程师电路设计指导手册》,∫解T的综合电路库。 有关更多信息,请参阅T设计采用隔离电阻器且经验证的容性负载驱动参考设计 请参阅电路SPCE仿真文件Sboc491-hTtp://www.ti.com/cn/it/zip/sboc491 有关众多运算放大器主题(包括共模范围、输岀摆幅、带宽、压摆率和如何驱动ADC)的更多信息,请参 阅T高精度实验室。 CA785A-February 2018-Revised January 2019 缓冲器(跟随器)电路 Sboa269-Http://www-s.ti.com/sc/techlit/sboa269 版权⊙2018-2019, Texas Instruments Incorporated XAS INSTRUMENTS www.ti.com.cn 设计采用的运算放大器 LM7332 2.5V至32V 轨至轨 轨至轨 1.6mV b MUA UGBW 7.5MHz(±5V电源) SR 152V/μs 通道数 www.ti.com.cn/product/cn/lm7332 设计备选运算放大器 OPA192 4.5V至36V 轨至轨 轨至轨 5μV 1mA 5pA UGBW 10M SR 20V/J 通道数 1、2、4 www.ti.com.cn/product/cn/opa192 以下器件用于先前所述的原始设计日标以外的电池供电或功率敏感型设计,在这些设计中需要降低系统总功 耗。 LPV511 v 2.7V至12V 轨至轨 轨至轨 v 0.2mV 1.2UA Ib 0. 8nA UGBW 27KHz SR 75V/ms 通道数 www.ti.com.cn/product/cn/pv511 修订历史记录 修订版本 日期 更改 A 2019年1月缩减标题字数 向设计备选运算放大器部分添加了LPV511表。 缓冲器(跟随器)忠路 ZHCA785A-February 2018-Revised January 2019 8 Sboa269-Http://www-s.ti.com/sc/techlit/sboa269 版权⊙2018-2019, Texas Instruments Incorporated TEXAS Analog Engineer's Circuit: Amplifiers INSTRUMENTS ZHCA754B-February 2018-Revised March 2019 反相放大器电路 设计目标 输入 输出 频率 电源 oMax 7v 7V 14V 14V 3kHz 15 15V 设计说明 该设计将输入信号反相并应用-2W∨的信号増益。输入信号通常来自低阻抗源,因为该电路的输入阻抗 由输入电阻器R1决定。反相放大器的共模电压等于连接到同相节点的电压,该节点在该设计中接地 R110k R220k Vcc Vcc 15 Vee 15 U1TLV170 ee Copyright C 2018, Texas Instruments Incorporated 设计说明 1.在线性运行区域内使用运算放大器。通常在AoL测试条件下指定线性输出摆幅。该电路中的共模电压不 随输入电压的变化而变化。 2.输入阻抗由输入电阻器决定。确保该值大于电源的输出阻抗。 3.使用高值电阻器可能会减小电路的相位裕度并在电路中引入额外的噪声 4.避免将电容负载直接放置在放大器的输岀端,以最大程度地减少稳定性问题 5.小信号带宽由噪声增益(或同相增益)和运算放大器増益带宽积(GBP)决定。可以通过添加与R2并联 的电谷器来完成额外的滤波。如果使用了高阻值电阻器,那么添加一个与R2并联的电谷器可提高电路的 稳定性 6.大信号性能会受到压摆率的限制。因此,应检査数据表中的最大输岀摆幅与频率间的关系图,以最大程 度地减小转换导致的失真 7.有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、电容负载驱动、驱动ADC和带宽的更多信 息,请参阅“设计参考”部分。 CA754B-February 2018-Revised March 2019 反相放大器电路 Sboa270-Http://www-s.ti.com/sc/techlit/sboa270 版权⊙2018-2019, Texas Instruments Incorporated TEXAS INSTRUMENTS www.ti.com.cn 设计步骤 下面给出了该电路的传递函数。 V。=V×(-82) 确烂R1的起始值。R1相对于信号源阻抗的大小会影响增益误差。假设信号溟的阻抗较低(例如 100g),则设置R1=10kg,以实现1%的增益误差 R1=10kg2 2.计算该电路所需的增益。由于这是一个反相放大器,因此在计算时使用VMn和Vax G=、。N= V V 3.计算R2值,以实现所需的-2VN信号增益 G R R G×R (-2y)×10kg=20k 4.计算小信号电路带宽,以确保其淸足3KHz要求。确保使用电路的噪声増益或冋相增益 GBPTLV170=1. 2MHZ NG=1+ BW= GBP= 1. 2MH2=400kHz 5.计算最大程度地降低转换导致的失真所需的最小压摆率。 SR p 2xT xf SR>2× TT X fxV SR>2XTx3kHz×14V=263.89=0.26 SR 04V/μs,因此它满足该要求 6.为了避免稳定性问题,确保器件的增益设置电阻和输入电容创建的零点大于电路的带宽。 xx(Cm+Cdx(R,IR,) NG 1.2MH ITx 3pF-+ 3pF 10k 十10k 43.77MHz>400kHz ·Can和Cm分别是TLV170的共模和差分输入电容。 ·由于零点频率大于此电路的带宽,因此不满足该要求 反相放大器电路 ZHCA754B-February 2018-Revised March 2019 版权820ntp:/w. comiscitechlit/SBOA270 -2019, Texas Instruments Incorporated

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