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[运放]

全分立原件运放之二,高速电流型运放 挑战通用OP

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phanai|  楼主 | 2015-6-3 20:59 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 phanai 于 2015-6-4 10:21 编辑

一个月前,我用7枚晶体管,制作了一个运放:
https://bbs.21ic.com/icview-934820-1-2.html  


由于这个帖子得到了大家的认可,今天继续分享一些基础的运放实验。
现在市面上的通用运放(LM358、5532等),基本上都是“电压型”的,但由于高频电路的需求,一种新的电流型运放也应运而生。
那么,1、什么叫做电压型、电流型运放?2、后者有什么特点?3、所谓的电流型,底层电路是如何运作的?


第一,电压型OP,即反馈是以电压的形式来进行,而电流型,则以电流的形式作为反馈。第二,带宽极高!电压型OP可谓不堪一击。
第三,电流型不依靠双极型晶体管来检查电压。其检出信号的原件,是没有频率特征的电阻。

回答了这三个问题后,还有一点要说明,我这里参考的是铃木雅臣的《晶体管电路设计(下)》,下面的原型机的电路,也是依据该书第7章的参考电路来制作,但很曲折。

因为一开始,我参考书中以JFET作为输入级的电路,但发现一个很严重的问题,不得不放弃。
那就是JFET配对非常困难。我在SPICE模拟时,找过几十组互补管,但是模拟出来的结果中心电位都存在严重的偏离。
实际操作中,而手头上只有20多个JFET,他们的Vgss和Idss基本上没有能够配对的,FET的分散性太大了。


怪不得,铃木雅臣所在的Accuphase,产品价格都极其昂贵,因为要善用FET,就要海量精确配对。
所以最后我转向了双极晶体管作为输入级,其Vbe基本分布在0.6-0.7之间,配对太容易了。

电路图与模拟结果:


下面是洞洞板设计图,注意,输入级的接线在后面修改过的


1Khz,这里只是检查电路能否正常运行。


10MHz,只是出现了50-60度的相移,实际结果是否那么完美?


根据BOM,准备好原件,放到盒子里面


焊接的时候,大量用胶布,方便快捷:


焊接了一半的输入级:


完成了:

背面:


测试,一次点亮,工作正常,静态电流6.0mA:


加上反馈,1K + 1K,输入5MHz(信号发生器的极限):


工作电流 10.1mA,很完美:


等下会让这个OP跟,之前的自制OP,LM358和5532 一起PK,先把PK的现场图发上来:


先看看这次的主角,自制电流型OP的整体性能:
第一次测试:反馈为1K + 1K,同相输入,相当于放大2倍:

既然说了是高速,从500KHz起跳:
当然很完美了!


1MHz,完美通过!


2MHz,出现相移,但波形依然完美通过!


5MHz,相移70度左右,波形开始变形,信号发生器极限了。



现在开始对比几个电压型运放:
左边的是自制运放,具体制作过程见:https://bbs.21ic.com/icview-934820-1-2.html
右边的是L358和5532P,都是TI的品牌。由于5532假货横行,这是一款耳放的拆机件。


自制运放的工作电流与5MHz下的波形,图片可以放大



LM358,我最喜欢的一只运放,非常便宜,性能良好,稳定,可以在单电源下工作。


LM358的工作电流与5MHz下的波形,图片可以放大



5532P,DataSheet显示的参数很不错,带宽高达9MHz,实际上呢?


5MHz都达不到





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沙发
phanai|  楼主 | 2015-6-3 21:00 | 只看该作者
本帖最后由 phanai 于 2015-6-5 16:25 编辑

看看电流型OP,放大5倍的结果,反馈变成了Rf1K,Rs220欧,电阻不能太大,因为是电流型,电流反馈不足,就不工作了。Rf是固定的(为什么?)








可以看到,结果和2倍时差不多,而且由于Rs变小,电流变大,在5MHz时波形基本没有变形。
因此,电流型OP的带宽是十分优秀的,下面已经有人提到,尤其适合在视频放大上。

看完测试结果,现在从电路原理来分析,为什么电流型OP具有如此高的带宽:
电路图再传一个,免得不停往上拉:

第一级:4只晶体管组成,而上一个自制的电压型OP为3只晶体管组成了差动级。但在电流型中,这叫电流检出级好了。
第二级,共射极放大电路,Q5、Q6相互看作恒流源,阻抗无限大,增益为晶体管的Hfe。
第三极,射极跟随器,降低输出阻抗,如果用在高频放大,要注意阻抗匹配,一般视频放大器为75欧,串联一只75欧电阻即可。
其中,R1、R2最关键的两个原件,其电流随着输入电压变化,产生压降,Q3、Q4负责检出压降,它们发射极相连,为反相输入端。
值得注意的是,Q1、Q2组成了射极跟随器,频响高是Emitte Follower的特点。而在电压型OP中,差动级可以理解为共射极放大器,共射极受到密勒效应影响,形成低通滤波器,压缩了带宽。


这里没有用任何高频管,都是S8050和S8550,这两只晶体管性能不错,价格便宜(1.5元可以100只)且容易买到。
不过,这两只管Ic偏大(150mA,SS型号是500mA),驱动时要注意基极偏置,当然也可以用模拟的2N3904和2N3906,或者9012和9013取代。


下个帖子,计划介绍一些很酷但很有学习价值的运放应用

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板凳
chaly579| | 2015-6-4 08:48 | 只看该作者
先占个坐

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地板
phanai|  楼主 | 2015-6-4 10:21 | 只看该作者
king5555 发表于 2015-6-4 08:58
可以自己LAYOUT单面板,用描图纸印图去感光电路板,泡药水洗出板子。

快速实验,洞洞板最方便

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5
st.you| | 2015-6-4 11:14 | 只看该作者
单管的FET当然不行,可以买孪生对管的,参数非常一致。

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6
phanai|  楼主 | 2015-6-4 11:19 | 只看该作者
本帖最后由 phanai 于 2015-6-4 11:24 编辑
st.you 发表于 2015-6-4 11:14
单管的FET当然不行,可以买孪生对管的,参数非常一致。

嗯,请看第一个运放贴,我在里面已经提到这点。不过,怎么在有限的条件下,将实验做成功才是最重要的。充分利用手头上现有一切,才是一个工程师应该有的素质。

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7
st.you| | 2015-6-4 11:45 | 只看该作者
phanai 发表于 2015-6-4 11:19
嗯,请看第一个运放贴,我在里面已经提到这点。不过,怎么在有限的条件下,将实验做成功才是最重要的。充 ...

:lol说的没错! 这个实验很容易成功的,没焊接错误的话,基本上没遇到过自激。话说,这种结构的放大器,转换速率都是非常的高的,我曾经用来做过音频功放,方波测试随随便便上百K频率的满功率输出,相移也小得多。只是开环放大倍数相对低,所以输出内阻也相对会大一些。

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8
21ic小喇叭| | 2015-6-4 15:04 | 只看该作者
赏钱啦   

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9
jqbkl007| | 2015-6-4 16:35 | 只看该作者
先占座,看大神讨论

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SBFX| | 2015-6-4 16:50 | 只看该作者

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松哥无敌| | 2015-6-4 18:43 | 只看该作者

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12
松哥无敌| | 2015-6-4 19:02 | 只看该作者
SPICE仿真软件能不能共享下

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phanai|  楼主 | 2015-6-4 19:35 | 只看该作者
松哥无敌 发表于 2015-6-4 19:02
SPICE仿真软件能不能共享下

免费的,搜索LTSpice

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14
beebeecici| | 2015-6-4 20:08 | 只看该作者
这种电路基本用于视频放大的多,最近也在研究用这种电路用于功放上,但还有很多问题不能解决。。。

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15
eurphan| | 2015-6-4 20:47 | 只看该作者
楼主洞洞板布局用的神软件?

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phanai|  楼主 | 2015-6-4 20:49 | 只看该作者
eurphan 发表于 2015-6-4 20:47
楼主洞洞板布局用的神软件?

Abacom LochMaster

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17
MCU52| | 2015-6-4 21:27 | 只看该作者
输出级用的是一般电压型输出结构,负载效应和速度会有些问题。
现在基本用和输入一样的结构,就连高速电压型也用这种输出结构

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gaoyiyiyi| | 2015-6-5 08:45 | 只看该作者
干的漂亮,希望楼主以后能推出三四五系列。。。:lol

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phanai|  楼主 | 2015-6-5 14:28 | 只看该作者
MCU52 发表于 2015-6-4 21:27
输出级用的是一般电压型输出结构,负载效应和速度会有些问题。
现在基本用和输入一样的结构,就连高速电压 ...

输出级是射极跟随器,速度不会存在太大问题。

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MCU52| | 2015-6-5 20:10 | 只看该作者
楼主看下这个THS3001的内部等效电路

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