《你好，放大器》----学习记录

Posted 2022-11-20 鲁棒最小二乘支持向量机

4 使用放大器的共性问题

4.1 放大器的封装

选择运放的封装，对整体电路板尺寸、焊接工艺和散热有影响，对电路性能也有影响

4.1.1 关于封装的一些基本概念

关于封装，主要关心两个参数：

• 管脚间距
• 两排管脚之间的宽窄

需要注意以下几点：

• 一款放大器通常具有多种不同的封装
• 以数据手册最后的封装尺寸为准，绘制电路板

4.1.2 PDIP 封装

常见的有塑封和陶瓷封装两种，不同公司名称略有区别，一般称为 DIP 封装

• 相邻两个管脚之间的距离为 100mil，约为 2.54mm
• 两列管脚之间的距离(宽度)为 300mil，约为 7.62mm

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4.1.3 SOIC-N 封装

目前最为常用的封装，包括 8 管脚、10 管脚、14 管脚等。其定义核心是 150mil宽窄，50mil 间距

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4.1.4 SOIC-W 封装

比较少见。300mil 宽窄，50mil 间距

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4.1.5 MSOP 封装

核心定义是 3mm×3mm 外形，对 8 脚芯片，具有 0.65mm 间距，对 10 脚芯片，具有0.50mm 间距

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4.1.6 TSSOP 封装

核心定义：4.4mm 宽窄，0.65mm 管脚间距，厚度不超过 1.2mm

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4.1.7 SOT-23 封装

核心定义为宽度 1.6mm，长度 2.9mm。分为 5 脚、6 脚和 8 脚等。其中 5、6 脚管脚间距为 0.95mm，8 脚管脚间距为 0.65mm

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4.1.8 SC70 封装

核心定义：1.25mm 宽窄，0.65mm 管脚间距。有 5 脚、6 脚两种适用于运放。其中 6 脚仅在 5 脚封装的基础上，在第 2 脚对面增加了一个管脚

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4.1.9 LFCSP 封装

间距为 0.5mm，管脚内嵌，具有散热暴露片，如何让散热片焊接到电路板铜皮上，手工操作需要另外想办法

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4.1.10 LCC 封装

管脚间距 1.27mm，9mm 见方，手工焊接也比较困难

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4.1.11 WLCSP 封装

不同管脚的，其间距是不一致的，6 脚的间距只有 0.4mm，也就是 15.7mil，而其焊球直径 0.267mm(10.5mil)，焊球间间隙只有 5.2mil，就不要考虑中间穿线了。8 脚以上的间距为 0.5mm

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4.1.12 常用管脚分布和例外

为了方便用户在输出脚和负输入脚之间连接一个电阻，这样可使得这个电阻具有极小的杂散电容，这在高频放大器设计中非常有用。运放最常见的4种管脚分布，如图所示：

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4.2 供电和电源去耦

给放大器提供良好的电源配置，是用好放大器的关键

4.2.1 给放大器供电的几项注意

• 注意电源极性和电压大小
• 运放内部相通的电源引脚或者GND，要全部按要求接好
• 给电源对地配置电容
• 在供电电源接芯片电源引脚的路径中串联磁珠

4.2.2 怎么给放大器电源配置电容

电源对地之间增加的电容，分为两类：库电容和旁路电容

库电容

库电容定义： 是一个百 μF 数量级的电解电容
库电容作用： 当负载出现突然的大电流需求，而电源一时不能提供如此大的电流输出，就会造成输出产生电压跌落。为避免这种现象出现，库电容在此时会释放它内部的电荷，形成补充电流输出，以减小电源的输出压力

库电容一般设计在电源进入电路板的入口处，且距离用电运放距离不能太远，一般建议不要超过 10cm

旁路电容

旁路电容： 一般是 10uF～0.1uF～0.01uF 的电容组，设计在芯片的电源管脚根部，在局部形成一个低通滤波器，用于“旁路” (bypass)电源出现的高频电压噪声

为什么要用两个电容形成电容组来实现高质量的旁路：

• 几乎所有的电容都不是理想的 1/f 阻抗，而实际呈现一个“沟型”的阻抗曲线，如图所示。在低频段，感抗和电阻都很小，随着频率的上升，电容容抗逐渐下降，总阻抗也是下降的。而随着频率的再升高，感抗开始起作用，使得总阻抗呈现上升趋势

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• 不同类型、不同大小的电容器，其等效电感 L、等效电阻 R 不同，其阻抗沟型曲线的形态就不同，其低阻抗覆盖区域也就不同
• 如果要覆盖较为宽广的噪声频段，仅用一个电容是难以实现的。用一个较大的电容 C1 负责较低频段，用一个较小电容 C2 负责较高频段，是实践中最为常见的有效方法，这两个电容的容值一般选为 50 倍到 1000 倍较好。常用的组合有10μF/0.1μF，4.7μF/0.01μF，10μF/0.01μF 等

4.2.3 配置旁路电容器的注意事项

PCB布线时需要注意：

• 流经原则： 电容应该放置在电源进线的途中，电源先经过电容组，再进入电源管脚
• 顺序原则： 电源走线应先经过 C1 大电容，再经过 C2 小电容
• 就近原则： C2 小电容应该无限靠近芯片电源脚根部，而 C1 也尽量靠近 C2
• 共地原则： 一个电容组的两个电容，其接地点必须是一个相同的地平面区域，而不要使用靠过孔相连的两个地区域
• 电源走线应该足够的粗，不要因为个别地方很窄，就整体将电源线变细
• 不要节省电容，不要让其它电路干涉电源旁路电容的布局
• 注意电解电容的极性和耐压问题。钽电容耐压不够，很容易烧毁
• 根据噪声分布不同，可能要考虑更换电容值。但大电容在 1μF～10μF 内，小电容在0.01μF～0.1μF 内，是最为常见的搭配

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4.3 不要忽视直流通路

4.3.1 为什么要给放大器提供直流通路

运算放大器的入端是晶体管的基极或者栅极。在完全浮空的情况下，晶体管是不会导通的。任何一个晶体管要想正常工作，必须具有合适的静态工作点，也就是它必须有正常的直流通路，或者说它不能浮空。下图为实现隔直放大的电路：

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正确的接法： 增加了一个电阻 R 接地后，该运放的正输入端晶体管就有了明确的直流通路，可以建立起合适的静态工作点

几种常见的浮空源

运放输入端需要必要的直流通路，所以浮空源是不能直接接入运放输入端的。以下信号源属于浮空的，在接入放大器时必须考虑怎么提供直流通路

• 信号经过隔直电容器
• 浮空变压器的负边
• 差分输出的无源传感器，驻极体话筒，水听器等。有些差分输出的无源传感器，还具有接地的第三端，就不属于浮空的
• 人体。在人体皮肤表层任意两点之间，都存在差分电压。心电或者肌电，在没有其他措施的情况下，这也属于浮空源

4.3.2 仪表放大器不接受浮空输入

仪表放大器内部有两个平行的同相输入放大器。该放大器的负输入端有直流通路，如图红线所示，而正输入端却是浮空的，这就需要外部信号源提供非浮空的直流电位

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将浮空变压器负边的中心点接地，就强制给变压器赋予了一个直流电位，且通过负边绕组，可以将这个直流电位与放大器入端建立直流通路，如图所示：

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4.3.3 差动放大器可以接受浮空输入

差动放大器如图所示，它可以接受浮空输入。该运放的负输入端靠输出端提供直流通路，正输入端靠 GND 提供直流通路

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4.3.4 全差分放大器可以接受浮空输入

全差分放大器也可以接受浮空输入，它的两个输入端，都由输出端提供直流通路

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4.4 自激振荡

低频放大器一般不容易自激振荡，使用高频放大器时，可能会出现自激振荡

4.4.1 自激振荡现象

理论上： 自激振荡是指当放大器加电后，还没有加载输入信号，输出端就出现了高频的类似于正弦波一样的波形
实际中： 当输入某些信号时，输出是正常的，一旦改变输入信号幅度或者频率到某些特定值，输出波形在原基础上会叠加更高频率的振荡信号

4.4.2 根本原因

运放自激振荡的根本原因： 某种频率信号(一般源自于内部广谱噪声)在环路增益大于 1 的情况下，其环路附加相移达到了 180 度，使得原本设计的负反馈变成了正反馈，且在环路内不断增大

造成运放电路振荡的客观原因：

• 电路设计不正确，环路增益 AuoF 过大，也就是闭环增益 1/F 太小。有些运放不支持太小的电压放大倍数，比如 OP37，其标称最小增益为 5，如果用 OP37 设计成跟随器，也就是 1 倍电压增益，那就一定会自激振荡的。因此，要设计跟随器，一定得选择单位增益稳定的运放
• 输出直接驱动大电容。要用运放驱动大电容， 或者选用驱动电容能力较强的运放； 或者在运放的输出端串联一个小隔离电阻， 一般在 22 欧姆~100 欧姆之间，再驱动电容；或者采用专门电路
• 引入了杂散电容。 比如反馈线路与地之间间距过小， 形成了较大的杂散电容； 使用了杂散电容较大的直插式电阻； 反馈线路背面使用了大面积的地层； 输出端接了不合适的电缆

4.4.3 避免和消除

遇到自激振荡，按以下步骤一般可以排除：

• 目测或者审查电路，观察是否有明显的违规现象
• 尝试更换运算放大器
• 如断掉负载，自激振荡消失，可考虑在负载和运放输出之间串联一个小电阻，先从100 欧姆试起，最终找到合适的隔离电阻
• 在反馈电阻中并联一个小电容，是消振最为常见的做法
• 重新设计电路板，将杂散电容大幅度降低
• 尝试其他补偿方法，超前补偿、滞后补偿等等，都是在外部增加电容，强制改变闭环传函的零极点位置，以消除自激振荡的条件

4.5 驱动大电容负载

运放输出端不能驱动电容的主要原因： 运放的输出阻抗与被驱动电容之间，会形成一个低通滤波器，在闭环环路中就可能产生最大 90 度的附加相移。一般运放的相位裕度仅在 50 度左右，出现这样的附加相移是极为危险的，极易满足自激振荡的条件

4.5.1 能驱动大电容的运放

ADI可以驱动大电容的运放如下：

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4.5.2 驱动大电容的典型电路

经典电路如图所示，表现出一个低通滤波作用，可以驱动大电容 CL，且输出电压几乎没有跌落，输出阻抗也不是 RISO。该电路广泛应用于低采样率 ADC 前端驱动，基准电压驱动

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当 RG存在，电路表现类似于同相比例器，低频增益为 1+RF/RG；RG开路，电路表现类似于电压跟随器

4.6 注意输入端保护

运放可以分为三类：

• 有些运放输入端并接了两组保护二极管，《你好，放大器》暂称之为 A 类
• 有些在保护二极管前面还串联了电阻，暂称之为 B 类
• 有些则没有任何保护措施，暂称之为 C 类

使用 A 类放大器时，需要注意：

• 尽量不要让它们作为比较器使用
• 作为跟随器使用时，必须在反馈支路中串联保护电阻 Rf

4.7 带宽计算

设计一个放大电路，需要很多严格的计算，最关键的— —带宽计算

4.7.1 传统估算公式

一个放大电路，如果闭环带宽大于 fhf，闭环电压增益为 AF，那么运放的增益带宽积GBW 要求为：

据此选择合适的运放即可。其中 H 是一个保险系数，它越大，越能保证上述要求。它的含义是，在 fhf频率处，开环增益为闭环增益 AF的 H 倍

4.7.2 关于增益带宽积完整的要求

设计音频放大电路中，常有这样的要求：增益 10 倍，带宽 20kHz，通带内增益误差小于 0.5dB。如图所示，红色为运放的开环增益随频率变化曲线，蓝色为闭环增益随频率变化曲线

图片来源于《你好，放大器》

图中可以看出，设定闭环增益为 AF=10 倍=20dB，带宽 20kHz，即 f1=20kHz。所谓的通带内增益误差小于 0.5dB，是指：随着频率的上升，开环增益在下降，闭环增益也会下降，在 f1=20kHz 处，闭环增益下降最严重，也不会超过-0.5dB，即

k问题

设计一个放大电路，闭环增益为 AF，要求在指定频率 f1内，增益下降不小于 k(k<1) 。问，如何选择放大器的增益带宽积？

4.7.3 闭环增益表达式

运放组成的放大电路负反馈框图，如图所示：

图片来源于《你好，放大器》

可得到闭环增益表达式为：

4.7.4 k问题的进一步变形和求解

一般电路中，衰减系数和反馈系数都是电阻分压形成，在不是太高的频率下，它们是实数，且与频率无关。得到简化的 k 问题表达式为：

理论上，这是一个无解的方程

可利用的规律

如图所示，在 f1附近，开环增益复数表达式都具有 90°相移

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4.7.5 带宽计算实例

制作一个同相比例器实现放大器，要求通带增益 10 倍，带宽 100kHz ，带内增益波动不超过-0.2dB ，选择合适的运放(只考虑增益带宽积)
解：由题意得 AF=10，即 F=1/10=0.1，f1=100kHz，且

则增益带宽积至少为

4.8 漂亮的布线是成败的关键

4.8.1 基础知识

英制单位

100mil=2.54mm，1mil=25.4μm
50mil=1.27mm

PCB 走线和铜导线的电阻

一般的印制板具有 0.5~1 盎司的覆铜厚度，大约只有 36μm。在此情况下，常温下铜具有确定的电导率，就可以计算出走线电阻如下：

铜导线电阻：

当把直径用 mm 代入，则为：

在流过较大电流或者精细测量中，这个电阻值是不可忽视的：

• 1cm 长 10mil 宽的走线，大约 19mΩ 电阻
• 1m 长截面积为 1 平方 mm 的铜导线，大约有 22mΩ 电阻

PCB 走线的电感量

对一个厚度为 H，宽度为 W，长度为 L(均为 mm 单位)的 PCB 走线，其电感量为：

电感量与线长度的关系如下图。在这个范围内，同样线宽下，长度越长，电感量越大。同样长度下，线宽越宽，电感量越小

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PCB 走线与地层的电容量

PCB 板一层为地，另一层有一个面积为 A(单位 mm2)的节点区域，这两者之间就存在电容：

其中，Er为介电常数，对常见 PCB 板为 4.7，d 为 PCB 板材厚度，一般为 1~1.5mm
一般来说，PCB 电容对设计电路板影响最大的是关键信号线的对面层是地平面。此时，越粗的信号线会产生越大的电容量。在高速放大器中，反馈线如果具有这个电容，一般来说是不容忽视的。因此，在这根线背面将地层挖空，是一种常见的降低杂散电容的方法

4.8.2 布局原则

良好的布局是成功的一多半，布局原则：

• 原则一：近。 在满足散热、安装等位置必须要求的情况下，元器件之间的距离尽量短。第一减小了信号传输距离，这在高频信号传输中尤为重要。第二，节省面积。其缺点是布线难度增加；造成某些线、节点之间距离过近，引发较大的杂散电容
• 原则二：顺。 元器件布局形成后，信号走向比较顺畅，尽量避免信号的来回绕线

4.8.3 走线原则

• 短： 信号线越短越好，电阻小，电感小，电容小
• 粗： 线越粗，电阻越小，对电源线非常重要
• 远： 关键信号线，距离其他节点越远，造成的电容越小，互相干扰越小。远分两个方面，第一是同层线路和覆铜区域，第二是和背面地层或者其他信号线
• 滑： 走线中转弯要平滑

对信号线来说，不要一味追求粗：

• 第一，可能带来更大的对地电容
• 第二，可能挤压其他线路布线
• 第三，一般来说信号线上不会通过大电流，一味降低电阻意义不大
• 没有特殊要求情况下，10mil 线传送信号是足够粗的

4.8.4 反馈支路

高速运放的反馈支路布线，背面一定不能有地层：

图片来源于《你好，放大器》

4.8.5 尽量不要自动覆铜

自动覆铜，一方面不易实现挖空操作，另一方面，很容易造成“孤岛地”
“孤岛地” ，是指一个较大的区域，它在电路节点中仍属于“地” ，但是它是由一根很细的线与真正的地平面相连

4.8.6 多看，多悟，少记

学习布线的诀窍：多看，多悟，少记

致谢杨建国老师著作《你好，放大器》

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

分享决定高度，学习拉开差距