运放输入阻抗及类别.doc

一、输入阻抗和输出阻抗
（1）首先，输入阻抗和输出阻抗是相对的。阻抗，简单的说就是阻碍作用，甚至可以说就是电阻，即另一层意思上的等效电阻。
　　引入输入阻抗和输出阻抗，最大的目的是在设计电路中提高效率，即要达到阻抗匹配，达到最佳效果。
阻抗匹配可以这样简单了解：假设一个电路中R为负载电阻，r为电源E的内阻，E为电压源。由于r的存在，当R很大时，电路接近开路状态；而当R很少时接近短路状态。显然负载在开路及短路状态都不能获得最大功率。
根据式: P=I2R=ER+r2R= E24r+R-r2R
从上式可看出，当R=r时此时负载所获取的功率最大。所以，当负载电阻等于电源内阻时，负载将获得最大功率。这就是电路阻抗匹配的基本原理。
（2）输入输出阻抗都跟电路的具体设计有关。这里先提供几条经验：
1、阻抗匹配时负载可以得到最大的信号功率。
2、阻抗匹配时效率不一定最高。
3、前级输出阻抗大于后级输入阻抗时，传输效率变低，传输功率小于最大值。
4、前级输出阻抗小于后级输入阻抗时，传输效率变高，传输功率也小于最大值。
5、输入阻抗一般是高些为好，这样对前级输出要求不严格。
6、输出阻抗一般是低些为好，这样负载适应性强，负载能力强。
7、输入阻抗高往往易受到干抗，所以需要特别的设计（例如屏蔽）。
8、输出阻搞太低往往也受到元器件、传输导线和电源限制。例如：有些功放的输出阻抗可以低到2Ω，再低的话已经没有意义（导线损耗反而成主要问题）。

二、ttl/coms型器件
按导电类型不同，分为双极型集成电路和单极型集成电路两类。前者频率特性好，但功耗较大，而且制作工艺复杂，绝大多数模拟集成电路以及数字集成电路中的TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL型属于这一类。后者工作速度低，但输人阻抗高、功耗小、制作工艺简单、易于大规模集成，其主要产品为MOS型集成电路。MOS电路又分为NMOS、PMOS、CMOS型。
（1）不同类型，不同工艺的器件其输入和输出阻抗也不同。
CMOS是电压型的器件，将电压转换为电流具有很高的输入阻抗，TTL是电流型的器件，输入阻抗低，将电流进行放大。
CMOS的输入阻抗很高，这样栅极寄生的电容就会和输入阻抗形成一个低通滤波器，而TTL器件输入阻抗很低，寄生低通滤波器的低通特性比较弱，所以速度比CMOS快。
（2）现在CMOS应用很广泛，是由于CMOS的输入阻抗一般都很高。而为什么输入阻抗高和输出阻抗低在电路中的应用有着很大的优势呢？
1.当信号送入一个放大器时，就会有一个电压加在输入级上，如果你的输入级阻抗很小则势必会有较大电流通过，而前级电路又提供不了如此大的电流，输入电压就降低了呀，那么送进放大器的电压就比源电压要小很多了，不能有效放大。
2.当信号从放大器输出的时候，在输出端会有一个负载，这时他需要一定的电流提供能力，你的输出阻抗如果高，输出电流流经输出电阻，再经过负载，肯定有一部分能量是消耗在了输出电阻上了。

三、一些典型电路的输入输出阻抗的计算：
（1）反相比例运算电路

1、方法一：输入电阻Ri为从电路输入端口看进去的电阻，这里可以看到是R1。
对于Ui端看到的阻抗,利用理想运放的"虚短"概念，运放的+-输入端电压总是0，对于Ui电压源来说，相当于它通过R1接到“地”，当然从Ui端看到的阻抗就是R1了。
方法二：先看运算放大器的电路模型：

其中ri很大，通常为106Ω或更高；r0相对较小可不计入在内；A很高。

由上图可以看到Ii=Ui+A*UiR1+R2+r0，r0相对很小可以忽略，A=R2R1,所以Ri=UiIi=R1+R21+R2R1=R1。
2、放大器反向输入端的电阻R1应远大于信号源的内阻，但通常只能取几千欧至几十千欧。而反馈电阻R2的值不能太大，否则会产生较大的噪声和漂移。一般为几十千欧到几百千欧。这就限制了放大器的增益。反向放大器的优点是性能稳定，缺点是输入阻抗较低。
IS500中有相应的电路如下图：

上图是电流检测，N端的R107和R85是做阻抗匹配用的，所以其输入阻抗应按照反相比例运算电路计算是100Ω。
（2）同相比例运算电路

由于Ri=uiii，其中ri非常大，所以Ii很小，故其输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。该电路的缺点是易受干扰（阻抗高易感应杂散电磁场）和精度低（运放输入端的共模信号等于输入信号）。
IS500中有相应的电路如下图：

以上两个电路是同相的，输入阻抗大。
图一中是电源转换，由于VDD3V是TL431输出的所以其带载能力非常有限，这里采用高输入阻抗的转换电路可以避免由于VDD3V输出能力有限而对其带来的偏差。
图二是跟随电路。

（3） 求差运算电路

Ui2输入阻抗可以这样理解（REF接“地”，即零电位）：

令Ui2-Ui1=U，Ii=U-U0R1+R2+R3+R4+r0，U0=-A（Ui2-Ui1），A=R2R1且r0相对很小不计，所以Ii=U+R2R1UR1+R2+R3+R4，则输入电阻Ri=UIi=R1+R2+R3+R4R1+R2R1
如设R1=R3，R2=R4。则Ri=2R1。

IS500中有相应的电路如下图：

可以看出上图是母线电压检测，其输入阻抗是3.02MΩ。

上图的输入阻抗是2*(R9//R10)。

四、rail-to-rail型的放大器
近年来,随着CMOS工艺向超深亚微米技术的发展,晶体管特征尺寸不断减小,电源电压不断下降,而晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小,因此使得CMOS运算放大器的输入输出信号的动态范围大大减小。为了提高运放的性能,增大输入输出信号的动态范围,最好能达到整个电源电压范围,即轨到轨(R2R:Rail-to-Rail)。轨到轨运算放大器经过特殊的设计可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。
IS500中用到的运放如下：TL082、MC33272、MC34072、LM339。
其中MC33272和MC34072的输出的电压范围都接近于从负电源到正电源的整个区间，在±15V供电时，输出范围分别为：-14.6V~+14.1V，-14.7V~+14.0V。