電源工程師必須會(huì)！運(yùn)算放大器15個(gè)常見(jiàn)指標(biāo)！

時(shí)間：2020-07-30 11:23:32

關(guān)鍵字：運(yùn)算放大器

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[導(dǎo)讀]01 入失調(diào)電壓定義：在運(yùn)放開(kāi)環(huán)使用時(shí)，加載在兩個(gè)輸入端之間的直流電壓使得放大器直流輸出電壓為 0。優(yōu)劣范圍：1μV 以下，屬于極優(yōu)秀的。100μV 以下的屬于較好的。最大的有幾十mV。對(duì)策：選擇 VOS遠(yuǎn)小于被測(cè)直流量的放大器，過(guò)運(yùn)放的調(diào)零措施消除這個(gè)

01 入失調(diào)電壓

定義：在運(yùn)放開(kāi)環(huán)使用時(shí)，加載在兩個(gè)輸入端之間的直流電壓使得放大器直流輸出電壓為 0。

優(yōu)劣范圍：1μV 以下，屬于極優(yōu)秀的。100μV 以下的屬于較好的。最大的有幾十mV。

對(duì)策：

選擇 VOS遠(yuǎn)小于被測(cè)直流量的放大器，
過(guò)運(yùn)放的調(diào)零措施消除這個(gè)影響
如果你僅關(guān)心被測(cè)信號(hào)中的交變成分，你可以在輸入端和輸出端增加交流耦合電路，將其消除。

如果 IB1=IB2，那么選擇 R1=R2//RF，可以使電流形成的失調(diào)電壓會(huì)消失，但實(shí)際中IB1=IB2很難滿足。

02 失調(diào)電壓漂移

定義： 當(dāng)溫度變化（μV/°C）、時(shí)間持續(xù)（μV/MO）、供電電壓（μV/V）等自變量變化時(shí)，輸入失調(diào)電壓會(huì)發(fā)生變化。

后果：很嚴(yán)重。因?yàn)樗荒鼙徽{(diào)零端調(diào)零，即便調(diào)零完成，它還會(huì)帶來(lái)新的失調(diào)。

對(duì)策：

第一，就是選擇高穩(wěn)定性，也就是上述漂移系數(shù)較小的運(yùn)放。
第二，有些運(yùn)放具有自歸零技術(shù)，它能不斷地測(cè)量失調(diào)并在處理信號(hào)過(guò)程中把當(dāng)前失調(diào)電壓減掉。

03 輸入偏置電流

定義：當(dāng)輸出維持在規(guī)定的電平時(shí)，兩個(gè)輸入端流進(jìn)電流的平均值。Ib=（Ib1+Ib2）/2

優(yōu)劣范圍：60fA~100μA

后果：

第一，當(dāng)用放大器接成跨阻放大測(cè)量外部微小電流時(shí)，過(guò)大的輸入偏置電流會(huì)分掉被測(cè)電流，使測(cè)量失準(zhǔn)。
第二，當(dāng)放大器輸入端通過(guò)一個(gè)電阻接地時(shí)，這個(gè)電流將在電阻上產(chǎn)生不期望的輸入電壓。

對(duì)策：為避免輸入偏置電流對(duì)放大電路的影響，最主要的措施是選擇 IB較小的放大器。

04 輸入失調(diào)電流

定義：當(dāng)輸出維持在規(guī)定的電平時(shí)，兩個(gè)輸入端流進(jìn)電流的差值，Ib=Ib1-Ib2。

優(yōu)劣范圍：20fA~100μA

后果：失調(diào)電流的存在，說(shuō)明兩個(gè)輸入端客觀存在的電流有差異，無(wú)法用外部電阻實(shí)現(xiàn)匹配抵消偏置電流的影響。

05 噪聲指標(biāo)

運(yùn)放常見(jiàn)的噪聲根源有兩類，一類為 1/f 噪聲，其電能力密度曲線隨著頻率的上升而下降；一類為白噪聲，或者叫平坦噪聲，其電能力密度曲線是一條直線，與頻率無(wú)關(guān)。

06 輸入電壓范圍

定義：保證運(yùn)算放大器正常工作的最大輸入電壓范圍。也稱為共模輸入電壓范圍。當(dāng)運(yùn)放最大輸入電壓范圍與電源范圍比較接近時(shí)，比如相差 0.1V 甚至相等、超過(guò)，都可以叫“輸入軌至軌”，表示為 Rail-to-rail input，或 RRI。

理解：運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，任何一個(gè)的輸入電壓超過(guò)此范圍，都將引起運(yùn)放的失效。注意，超出此范圍并不代表運(yùn)放會(huì)被燒毀，但絕對(duì)參數(shù)中出現(xiàn)的此值是堅(jiān)決不能超過(guò)的。

07 輸出電壓范圍

定義：在給定電源電壓和負(fù)載情況下，輸出能夠達(dá)到的最大電壓范圍。當(dāng)運(yùn)放的輸出范圍已經(jīng)接近于電源電壓范圍時(shí)，就自稱“輸出軌至軌”，表示為 Rail-to-rail output，或 RRO。

理解：在沒(méi)有額外的儲(chǔ)能元件情況下，運(yùn)放的輸出電壓不可能超過(guò)電源電壓范圍，隨著負(fù)載的加重，輸出最大值與電源電壓的差異會(huì)越大。

輸出電壓范圍，或者輸出至軌電壓有如下特點(diǎn)：

正至軌電壓與負(fù)至軌電壓的絕對(duì)值可能不一致，但一般情況下數(shù)量級(jí)相同。
至軌電壓與負(fù)載密切相關(guān)，負(fù)載越重（阻抗?。?至軌電壓越大。
至軌電壓與信號(hào)頻率相關(guān)，頻率越高，至軌電壓越大，甚至?xí)蝗淮蠓认陆怠?
至軌電壓在 20mV 以內(nèi)，屬于非常優(yōu)秀。
RRIO（輸入輸出均軌至軌）。

08 模抑制比

定義：差模電壓增益與共模電壓增益的比值，用 dB 表示。CMRR = 20 log （Ad/Ac）

優(yōu)劣范圍：一般運(yùn)放都有 60dB 以上的 CMRR，高級(jí)的可達(dá) 140dB 以上。運(yùn)算放大器在單端輸入使用時(shí)，不存在這個(gè)概念。只有把運(yùn)放接成類似于減法器形式，使得運(yùn)放電路具備兩個(gè)可變的輸入端時(shí)，此指標(biāo)才會(huì)發(fā)揮作用。

影響因素：一是運(yùn)放本身的共模抑制比，二是對(duì)稱電路中各個(gè)電阻的一致性。

09 開(kāi)環(huán)電壓增益

定義：運(yùn)放本身具備的輸出電壓與兩個(gè)輸入端差壓的比值，用 dB 表示。

優(yōu)劣范圍：一般在 60dB~160dB 之間。越大的，說(shuō)明其放大能力越強(qiáng)。

理解：開(kāi)環(huán)電壓增益是指放大器在閉環(huán)工作時(shí)，實(shí)際輸出除以運(yùn)放正負(fù)輸入端之間的壓差，類似于運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作——其實(shí)運(yùn)放是不能開(kāi)環(huán)工作的。AVO 隨頻率升高而降低。

10 壓擺率

定義：閉環(huán)放大器輸出電壓變化的最快速率。用 V/μs 表示。

優(yōu)劣范圍：從 2mV/μs 到 9000V/μs 不等。

理解：此值顯示運(yùn)放正常工作時(shí)，輸出端所能提供的最大變化速率，當(dāng)輸出信號(hào)欲實(shí)現(xiàn)比這個(gè)速率還快的變化時(shí)，運(yùn)放就不能提供了，導(dǎo)致輸出波形變形 —— 原本是正弦波就變成了三角波。

11 帶寬指標(biāo)

與帶寬相關(guān)的指標(biāo)主要有四項(xiàng)：

單位增益帶寬（Unity Gain-bandwidth， UGBW）

定義：運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益/頻率圖中，開(kāi)環(huán)增益下降到 1 時(shí)的頻率。
增益帶寬積（Gain Bandwidth Product， GBP 或者 GBW）

定義：運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益/頻率圖中，指定頻率處，開(kāi)環(huán)增益與該指定頻率的乘積。
-3dB 帶寬

定義：運(yùn)放閉環(huán)使用時(shí)，某個(gè)指定閉環(huán)增益（一般為 1 或者 2、 10 等）下，增益變?yōu)榈皖l增益的 0.707 倍時(shí)的頻率。
滿功率帶寬（Full Power Bandwidth）

定義：將運(yùn)放接成指定增益閉環(huán)電路（一般為 1 倍），連接指定負(fù)載，輸入加載正弦波，輸出為指標(biāo)規(guī)定的最大輸出幅度，此狀態(tài)下，不斷增大輸入信號(hào)頻率，直到輸出出現(xiàn)因壓擺率限制產(chǎn)生的失真（變形）為止，此頻率即為滿功率帶寬。

滿功率帶寬與器件壓擺率密切相關(guān)

12 全諧波失真

衡量一個(gè)時(shí)域波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦波的差異程度的量。也被用于衡量一個(gè)放大器的保真程度。諧波是有規(guī)律的，在頻域中僅出現(xiàn)在指定頻點(diǎn)。放大器的失真度指標(biāo)，有時(shí)也用 HD2、 HD3 表征。

放大器的失真度指標(biāo)，與很多因素相關(guān)，最為顯著的有五個(gè)：第一是輸入信號(hào)頻率，第二是輸出信號(hào)幅度，第三是放大電路閉環(huán)增益，第四是輸出帶載大小，第五是供電電壓。

13 建立時(shí)間

定義： 運(yùn)放接成指定增益（一般為 1），從輸入階躍信號(hào)開(kāi)始，到輸出完全進(jìn)入指定誤差范圍所需要的時(shí)間。

優(yōu)劣范圍： 幾個(gè) ns 到幾個(gè) ms。一般來(lái)說(shuō)， SR 越大的，建立時(shí)間更小。

14 電源電壓抑制比

定義：電源電壓抑制比，其含義是運(yùn)放對(duì)電源上紋波或者噪聲的抵抗能力。

理解：首先，正負(fù)電源具有不一定相同的 PSRR（PSRR-不一定等于PSRR+），其次，隨著電源電壓變化頻率的提升，運(yùn)放對(duì)這個(gè)變化的抵抗能力會(huì)下降。一般情況下，電源變化頻率接近其帶寬時(shí)，運(yùn)放會(huì)失去對(duì)電源變化的抵抗 —— 即單位增益情況下電源變化多少，輸出就變化多少。因此電源旁常需要加旁路電容。

15 熱阻

定義：是導(dǎo)熱體阻止熱量散失程度的描述。有以下常用的兩種：

θJA，是指芯片熱源結(jié)（Junction）與芯片周圍環(huán)境（Ambient）（一般為空氣）的熱阻。
θJC，是指芯片熱源結(jié)（Junction）與芯片管殼（Case）的熱阻。

理解：對(duì)芯片來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱路徑的兩端分別為自身發(fā)熱體與環(huán)境空氣。熱阻 θJA 越大，說(shuō)明散熱越困難，其溫差也就越大。

理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)：輸入阻抗為∞，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為∞，共模抑制比為∞，帶寬為∞，壓擺率為∞，輸出阻抗為無(wú)窮小，差模輸入電壓為0，輸入電流為0，失調(diào)電壓，失調(diào)電流均為0。

兩個(gè)重要特性：

虛短：正負(fù)輸入端電壓相等
虛短：正負(fù)輸入端電流為0

-END-

大神把干貨寫(xiě)活了！PCB Layout爬電距離、電氣間隙的確定

終于知道！單片機(jī)中常用的負(fù)電壓是怎樣產(chǎn)生的？

開(kāi)關(guān)電源里的特殊元件，它們的類型和用途你都知道嗎？

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