集成運放的非線性失真分析及電路應(yīng)用

1、集成運放的非線性失真分析及電路應(yīng)用運算廣泛應(yīng)用在各種中，不僅可以實現(xiàn)加法和乘法等線性運算電路功能，而且還能構(gòu)成限幅電路和函數(shù)發(fā)生電路等非線性電路，不同的銜接方式就能實現(xiàn)不同的電路功能。集成運放將和一些外圍電路集成在一塊硅片上，組合成了具有特定功能的電路。集成運放體積小，用法便利靈便，適合應(yīng)用在移動通信和數(shù)碼產(chǎn)品等便攜設(shè)備中。線性特性是考查具有放大功能的集成運放和接收前端電路的一個重要參數(shù)，并且線性范圍對集成運放的銜接方式也有很大影響。集成運放的線性范圍太小，就會造成輸出信號產(chǎn)生多次諧波和較大的諧波功率，嚴(yán)峻地影響囫圇電路的功能。基于集成運放的非線性分析，可以發(fā)覺造成電路非線性失真的緣由，并且在

2、不轉(zhuǎn)變電路設(shè)計的前提下，通過轉(zhuǎn)變集成運放的銜接方式，達(dá)到實現(xiàn)集成運放正常工作的目的。本文設(shè)計優(yōu)化的集成運放電路應(yīng)用于定位系統(tǒng)射頻前端電路，完成對基帶掃頻信號的放大輸出，能有效抑制了集成運放諧波的產(chǎn)生，實現(xiàn)射頻接收前端電路的高增益，提高對后端電路設(shè)計部分的驅(qū)動能力。1 差分電路的接入辦法和集成運放的非線性參數(shù)通用集成運放電路由：偏置電路、輸入級、中間級和輸出級等組成。其輸入級部分由差分電路構(gòu)成。差分電路有雙端輸入和單端輸入兩種信號輸入辦法；偏置電路可以采納單電源和雙電源兩種供電方式。在移動通信或便攜設(shè)備中，普通采納單電源供電方式，單電源供電的集成運放要求輸入信號采納單極性形式，即輸入信號始終是正

3、當(dāng)或是負(fù)值，差分輸入級可以用來保證輸入中間級電路的信號極性，同時差分輸入級放大電路可以有效抑制共模信號，增加集成運放的共模抑制比。但是，當(dāng)共模輸入信號較大時，差分對管就會進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，放大器將失去共模抑制能力，嚴(yán)峻影響到集成運放的共模抑制比。集成運放的非線性特性參數(shù)除了最大共模輸入外，輸出電壓、輸出、最大輸出壓擺率和最大輸入壓擺率等也是關(guān)系到其非線性特性的重要指標(biāo)。因為集成運放的輸出級晶體管存在一定的飽和壓降，其最大輸出電壓都要比電源電壓小12 v，甚至更小。壓擺率就是電壓的轉(zhuǎn)換速率，是集成運放在大信號和高頻信號工作時的一項重要指標(biāo)。壓擺率越高，集成運放的電壓反應(yīng)速度越快，越能保證運放在

4、更高頻率下工作；相反，假如壓擺率太低，運放的輸出電壓無法即時地尾隨階躍輸入電壓的變幻，輸出信號就會浮現(xiàn)失真，表現(xiàn)出集成運放的非線性特性。無論單電源供電，還是正負(fù)電源供電，集成運放的最大共模電壓普通比電源正、負(fù)電壓各低2 v左右；對于33 v單電源供電的集成運放，其最大共模輸入電壓范圍十分小，所以集成運放在用法低電源供電的狀況下，一定要考慮輸入共模信號的影響。2 雙端輸入集成運放ad8062的電路應(yīng)用在接收機(jī)射頻前端電路中，現(xiàn)代混頻器內(nèi)部集成了運算放大器的功能，但是內(nèi)部集成的運算放大器輸出阻抗較高，使得混頻器后端負(fù)載的驅(qū)動能力不強，同時電壓增益也簡單受到負(fù)載阻抗變幻的影響。為了實現(xiàn)接收機(jī)能夠接收

5、大動態(tài)范圍的信號，射頻前端采納了增益控制放大電路；同時，考慮到接收機(jī)高敏捷度的要求，用法固定增益集成運放對微弱信號舉行再放大，以保證接收到的信號達(dá)到a/d采樣的最低門限。集成運放ad8062具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，能夠保證下變頻后信號的高效傳輸，并且能夠有效提高負(fù)載的驅(qū)動能力。為了滿足囫圇電路系統(tǒng)的增益設(shè)計要求，接收前端對下變頻后的基帶信號舉行放大便顯得尤為須要。21 ad8062主要性能介紹輸出電壓擺動為6 mv；3 db帶寬為500 mhz；電壓擺率為800 vs；差分放大相位誤差為o04°；電源電壓為278 v。ad8062是雙集成運算放大器，可以同時對兩路信號舉行

6、放大輸出。共模輸入電壓范圍也較大，能夠在低電源電壓供電電路中用法；輸出端采納軌對軌(rail to rail)反饋放大器方式，擴(kuò)展了輸出電壓范圍，越發(fā)便利了ad8062的用法。相比于同類型電流反饋放大器，ad8062具有較寬的信號輸入帶寬和較高的壓擺率特性，適合應(yīng)用在擴(kuò)頻通信電路中。22 ad8062電路實現(xiàn)和應(yīng)用在下面的電路設(shè)計中，ad8062采納單電源33 v供電方式，輸入端用法的是iq兩路正交信號，用于測試的輸入信號是單頻信號，輸入信號功率范圍為-28-12 dbm，信道帶寬5 mhz。集成運放的電路設(shè)計應(yīng)用在ism頻段定位系統(tǒng)的接收射頻前端電路，在ad8347對iq正交射頻信號下變頻后

7、，對基帶信號舉行放大輸出。ad8062差分放大采納的是雙端輸入單端輸出的方式，iq兩路雙極性信號經(jīng)集成運放合并后傳輸給ad變換器舉行采樣。當(dāng)接收信號為跳頻信號時，ad8062電壓的變幻速率很快，能夠即時尾隨階躍電壓的變幻。最初的設(shè)計采納圖1(a)所示的電路銜接方式，其中設(shè)計的mimo系統(tǒng)接收射頻前端曾有應(yīng)用，在mimo系統(tǒng)中采納的是單電源5 v供電方式，輸入信號頻率范圍為05 mhz，功率為-12 dbm。上述條件下，放大器的功率增益為11 db，信號輸出的諧波失真小于-40 dbc，滿足接收機(jī)智敏度和后端ad采樣的要求。然而，ad8062的銜接方式挺直用于33 v單電源，當(dāng)輸入信號頻率為1

8、mhz時，電路的輸出特性2和圖3所示。ad8062的差分放大電路銜接方式1，集成運放iq兩路雙極性輸入的電壓信號大小相等，符號相反，理論上經(jīng)下變頻器輸出的雙極性信號到ad8062的增益(db)由下式計算得到：在下變頻器輸出信號為-28 dbm的狀況下，由圖2可以看出ad8062的增益為11 db左右，信噪比為20 db左右，該增益基本滿足理論計算值。但是，當(dāng)下變頻器輸出信號為-12 dbm時，輸入到ad8062信號的各次諧波功率均大于-50 dbc。由圖3可發(fā)覺，在ad8062的大信號輸入時ad8062的非線性特性使得輸出信號嚴(yán)峻失真，5 mhz信號帶寬內(nèi)二次諧波為-10 dbc，信號輸出功率

9、不能滿足理論計算值。ad8062的嚴(yán)峻帶內(nèi)諧波失真，使得后端無法檢測到實用的信號，造成了這種電路無法正常用法。23 ad8062的非線性分析和電路優(yōu)化在集成運放的非線性參數(shù)中，單頻輸入信號電壓的變幻速率很低，基本不用考慮ad8062的壓擺率特性是造成諧波失真的緣由?？紤]到單電源集成運放在電源電壓變小時，其最大共模輸入電壓范圍也會變小，電路銜接方式1產(chǎn)生的諧波失真與最大輸入共模電壓有很大的關(guān)系。a-d8062允許輸入信號的最大共模電壓范圍為(-vso2 v)(+vs18 v)，電源電壓越小，ad8062的最大共模輸入電壓范圍越小，若超出這個最大范圍，芯片就可能被燒毀。另外，關(guān)系到集成運放非線性參

10、數(shù)的共模輸入電壓范圍還要小于上述范圍。在單電源5 v電壓供電的電路中，允許輸入信號的最大共模電壓范圍為-52+32 v，然而在單電源33 v供電的電路中，該范圍為-35+15 v。電源電壓的削減，使得ad8062的最大輸入共模電壓范圍有所削減，這可能是造成集成運放非線性失真的緣由。銜接方式l的信號輸入端沒有隔直，必定造成集成運放對直流信號的放大，這就會浮現(xiàn)輸出信號的諧波失真。這是由于當(dāng)直流電壓超出最大輸入共模電壓范圍時，集成運放的靜態(tài)工作點發(fā)生了較大偏移，差分對管中的一管輸出電流趨于飽和，另外一管的輸出電流趨于截止，兩管的輸出電流之差不再尾隨輸入信號發(fā)生變幻，而表現(xiàn)出集成運放的限幅電路特性，造

11、成集成運放在大信號輸入時輸出信號的非線性失真。由此可以推斷，在大信號輸入的狀況下，ad-8062的峰值超過了輸入共模電壓范圍。為了解決共模電壓過大的問題，對上述電路舉行優(yōu)化設(shè)計，即在銜接方式2的集成運放的負(fù)項輸入端加入隔直電容，其銜接1(b)所示。ad8062的差分放大電路銜接方式2中，隔直電容可以有效減小輸入到反相端的直流電壓，同時通過溝通實用信號，這樣就減小了集成運放的輸入共模電壓，保持了差分電路在靜態(tài)工作點的較大線性范圍，差分對管的輸出電流能夠線性尾隨輸入信號變幻。隔直電容的加入除了對低頻信號有些影響外，輸入集成運放的差模電壓能夠高效傳輸給ad變換器。在設(shè)計的ism頻段定位系統(tǒng)時，用法基

12、帶掃頻信號最低頻率為100 khz，這樣就能最大程度地降低隔直電容對低頻信號的影響。優(yōu)化電路的特性頻譜特性4和圖5所示。銜接方式2與方式1的頻率輸入條件相同，在輸入單頻信號功率為-28 dbm時，優(yōu)化電路的集成運放增益大于11 db，并且對帶外噪聲有了更大的抑制作用，信噪比也比銜接方式1提高了1 db。在輸入單頻信號功率為-12 dbm時，因為共模輸入電壓的減小，使得ad8062能夠工作在線性范圍，各次諧波功率均小于-45 dbc，輸出信號功率也有了4 db提高。優(yōu)化電路勝利地完成了在射頻接收前端的實驗測試，能夠為后端電路檢測信號提供較大的信號功率。而滿足ad采樣門限要求。同時，在ism頻段定位系統(tǒng)整體測試中，ad8062的用法能夠使得接收射頻前端達(dá)到接收機(jī)智敏度的要求，信號處理部分能夠正確捕捉定位數(shù)據(jù)。在實驗調(diào)試中發(fā)覺，雙集成運放ad8062的iq兩路輸入信號功率不能有太大的偏差，否則，電路不能正常工作。在設(shè)計的定位系統(tǒng)射頻前端電路中，采納正交下變頻器ad8347的iq兩路信號輸出功率偏差較小，ad8062能夠滿足設(shè)計要求。3 結(jié)語通過對集成運放銜接電路的非線性分析，找到了ad8062產(chǎn)生諧波失真的緣由，并且優(yōu)化設(shè)計了新的電路銜接方式。這種優(yōu)化電路設(shè)計在不轉(zhuǎn)變集成運放增益的前提