4.2.3 输入阻抗与偏置电流

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实际运算放大电路(三) 输入阻抗与偏置电流 位于书本的4.2.3节 我们在讲解输入阻抗与偏置电流参数之前呢 我们先来看一个仿真 这是一个隔离衰减电路 经常用于示波器信号调理第一级 也就是示波器探头把信号衰减十倍 再输入一个缓冲器进行隔离给下一级 那么用于衰减分压的电阻 R1 、R2 阻值必须很大 这样的示波器的探头才能是高阻的 用于隔离用的缓冲电路采用同相比例构成 以确保不影响电阻的精确分压 那么任何信号调理电路呢都会降低系统带宽 所以我们作为示波器的第一级 我们要选用一个高速运放 减小对带宽的影响 那么常用的TI高速运放呢有 OPA84 系列 其中 OPA842 带宽是200兆 它还有其它系列的,846、847带宽更高 那么 OPA842 它是单位增益稳定运算放大器 只有它才能用于我们这种缓冲器一倍放大的用途 不带单位增益稳定这个标签就不能用于它 那么我们图示电路的输入信号选择为 1kHz/2Vpp 的正弦波 那么电路功能就是衰减十倍再隔离 那么理论上它的输出应该是 1kHz/200mVpp 那么仿真显示呢 输出电压不是纯交流信号 而是严重地偏离了 Y 轴,特别往下 我们分离曲线 利用指针工具 我们可以精确地读出输出信号的直流偏移 然后它俩加起来除以二 发现呢是偏了一点七几伏 这个偏移了很大 我们还可以直接读出峰峰值是多少 峰峰值呢190mV 这也小于理论值 因为我们理论值衰减十倍以后呢应该是 200mV 峰峰值 那么在解释仿真现象之前呢 我们查阅一下 OPA842 的说明书 点击下载数据表 我们找到电气参数供电为 ±5V 这部分 节选了表格,如图所示 那么在直流特性这一栏呢 我们找到输入偏置电流 -20uA 那么输入偏置电流的含义是 你不加载有效信号的时候晶体管也需要预先导通 这就是偏置电路作用 那么我们的输入偏置电流当然希望是越小越好 否则运放就难以认为是虚断的 那么一般来说双极性晶体管为输入级的运放 它的输入偏置电流呢都是微安量级 而 FET 它输入的在 pA 到 nA 量级 那么在 INPUT 输入这一栏 我们还可以看到前面提到过的共模抑制比 CMRR 那么 OPA842 呢它的 CMRR 典型值是95dB 这意味着它放大差模信号的能力是共模信号的56万倍 是非常高的 我们还可以看到输入阻抗的参数 输入阻抗呢包含输入电阻和输入电容 那么对于双极性晶体管输入级的运放来说呢 它的输入阻抗在兆欧量级 而 FET 呢它的数量级在千兆欧 我们图示的仿真异常呢 可以用输入偏置电流和输入阻抗来解释 OPA842 它的输入偏置电流 -20uA 它看似很小 但是这个电流加载在 100K 这么大一个电阻上 那么产生的压降就是 2V,-2V 我们仿真结果为-1.7V 是基本符合的 那么 OPA842 的输入阻抗也是兆欧级 这个地方呢相当接兆欧级电阻 那么它与 R2 并联以后是会影响到并联的阻值 所以这两个电阻的分压比是略小于10的 所以对于高阻信号实际运放不能看成输入阻抗无穷大 那么 OPA842 呢构架属于 Bipolar 运放 我们在选型里面可以看到构架属于Bipolar 双极性晶体管为输入级 那么它的控制呢是利用 iB 来控制 iC 所以它的偏置电流大、输入阻抗小 如果我们选择 FET 运放 构架里面选择 FET 运放的差分输入级采用场效应管的话呢 它的控制依靠 UGS,是电压控制 它的 IG 非常小 它只用于对栅极电容进行充放电 那么 FET 运放 无论是输入阻抗还是偏置电流的指标呢 都是要优于 Bipolar 运放 而且是若干个数量级 好,对于示波器第一级调理这种用途 隔离运放只能选用高速的 FET 运放 比如说单位增益稳定的 OPA659 也得选单位增益稳定 那么仿真结果表明各项指标非常完美 没有直流偏移 信号的幅值也是 199.71mV 我们根据 OPA659 的说明书 它的输入偏置电流呢根据温度不同波动很大 FET 运放就有这样特点 但是呢它从最好的 ±10pA 到 3200pA 也是很好的 它产生的偏置电压会比 OPA842 小上万倍,可以忽略 那么它的输入阻抗也极高 说明书中典型值呢为10的12次方 那么与 R2 并联以后影响可以忽略不计 那么仿真表明呢 199点几毫伏理论值200毫伏也是非常符合的 那么是不是场效应晶体管的运放就比双极性晶体管的运放好呢 实际上这两种高速运放的价格差别并不大 两种运放的性能指标各有优劣 比如说 OPA659 它的输入失调电压是要大于 OPA842 直流特性不如它 那么并且呢 OPA659 它的 CMRR 共模抑制比只有70个 dB 这也是比 OPA842 差的 本课小结 输入偏置电流输入阻抗对运放参数的影响 对于示波器输入分压 通过两个高阻值电阻进行分压 隔离这个用途来说 输入 2V 输出呢希望是 200mV 但实际上呢 我的仿真结果是 输出电压幅值不够 而且产生了一个很大的偏移 那么 Bipolar 运放 OPA842 它的偏置电流和输出阻抗指标呢 不符合这个电路的应用 因为它的输入偏置电流有 -20uA 这么大 它在 100K 的电阻上产生的偏置电压就会达到伏这个量级 而且它的输入阻抗就兆欧级的阻抗 并联 100K 也会把这个 100K 电阻变小 使它分压比达不到10:1 那么如果我们采用 FET 的高速运放 它的指标就很好,没有偏移 因为它的输入偏置电流非常非常小 而且它输入阻抗很高 所以呢放大倍数不受影响 好,这节课就到这里
课程介绍 共计80课时,9小时48分45秒

电子电路基础知识讲座

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本系列课程目前共有80讲,由青岛大学和TI德州仪器联合推出,傅强老师主讲。从模拟及电源出发,系统系列地讲解了电路设计上的基础知识,从多方面多角度给学员提供了全面学习的机会,也是工程师快速查找相关基础知识的便捷手段。
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讲师

讲师: 傅强老师

讲师:青岛大学南开大学博士学历。主讲本科的模电和数电课程,以及研究生的电子电力等课程。指导国家级大学生创新创业训练项目,大学生电子设计竞赛, 和企业横向课题等等。

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