運(yùn)算放大器參數(shù)選型
運(yùn)算放大器(Integrated Operational Amplifier)簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放,是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路。
運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)
輸入級(jí)一般是由BJT(雙極性晶體管,電流控制器件)、JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,電壓控制器件)或MOSFET(氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)組成的差動(dòng)放大電路,主要是利用對(duì)稱特性提高共模抑制比,它的兩個(gè)輸人端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端;電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益,它可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成;輸出級(jí)一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器構(gòu)成,以降低輸出電阻,提高帶負(fù)載能力;偏置電路是為各級(jí)提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)。如電平移動(dòng)電路,過載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償電路。
運(yùn)放分類
01
按工作原理
① 電壓放大型
實(shí)現(xiàn)電壓放大,輸出回路等效成電壓控制的電壓源。
② 電流放大型
實(shí)現(xiàn)電流放大,輸出回路等效成電流控制的電流源。
③ 跨導(dǎo)放大型
將輸入電壓轉(zhuǎn)化成輸出電流,輸出回路等效成電壓控制的電流源。
④ 互阻放大型
將輸入電流轉(zhuǎn)化成輸出電壓,輸出回路等效成電流控制的電壓源。
02
按性能
① 高阻型
特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>(109~1012)W,IIB為幾到幾十PA。適用于測(cè)量放大電路、信號(hào)發(fā)生電路、采樣——保持電路。
② 高速型
特點(diǎn)是單位增益帶寬、轉(zhuǎn)換速率SR高。適用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)電路、視頻放大電路。
③ 高精度型
特點(diǎn)是低失調(diào)電壓、低溫漂、低噪聲、高增益。適用于微弱信號(hào)的精密測(cè)量,例如高精儀器。
④ 低功耗型
特點(diǎn)是靜態(tài)功耗低、工作電壓低。適用于便攜式儀器、空間技術(shù)、工業(yè)及軍事的遙感遙測(cè)領(lǐng)域。
⑤ 通用型
特點(diǎn)是價(jià)格低廉,性能指標(biāo)要求一般都滿足。適用于低頻信號(hào),簡(jiǎn)單的信號(hào)處理。
運(yùn)放參數(shù)指標(biāo)
01
直流指標(biāo)
① 輸入失調(diào)電壓VIO及溫漂αVIO
集成運(yùn)放輸出端電壓為零時(shí),兩個(gè)輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。內(nèi)部電路對(duì)稱性越好,輸入失調(diào)電壓越小,運(yùn)放的性能更好;αVIO溫漂是輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值,一般運(yùn)放溫漂在±10~20μV/℃之間,精密運(yùn)放的溫漂小于±1μV/℃。
② 輸入偏置電流IIB
當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí),其兩輸入端的偏置電流平均值,通常IIB越小,IIO也就越小。與制造工藝有關(guān),雙極型晶體管一般為80~500nA,場(chǎng)效應(yīng)管一般為1nA。
③ 輸入失調(diào)電流IIO及溫漂dVIO
當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí),其兩輸入端偏置電流的差值。內(nèi)部電路對(duì)稱性越好,輸入失調(diào)電流越小,雙極型晶體管一般為20~200nA,場(chǎng)效應(yīng)管一般小于1nA;輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。
④ 開環(huán)差模增益Aod
集成運(yùn)放無外加反饋時(shí)的放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模增益,分貝數(shù)為20 lg| Aod |一般運(yùn)放數(shù)值在80~120dB。
⑤ 共模抑制比KCMR
運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),差模增益與共模增益的比值,20 lg KCMR。
⑥ 電源抑制比
運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)運(yùn)放輸入失調(diào)電壓隨電源電壓的變化比值。
⑦ 最大共模輸入電壓UIcmax
正常放大差模信號(hào)的情況下允許輸入的最大共模信號(hào),一般定義為當(dāng)共模抑制比下降6dB?是所對(duì)應(yīng)的共模輸入電壓作為最大共模輸入電壓。
⑧ 最大差模輸入電壓UIdmax
運(yùn)放兩輸入端允許加的最大輸入電壓,當(dāng)運(yùn)放兩輸入端允許加的輸入電壓差超過最大差模輸入電壓時(shí),會(huì)使內(nèi)部PN結(jié)擊穿,造成運(yùn)放輸入級(jí)損壞。
02
交流指標(biāo)?
① 開環(huán)帶寬fH
開環(huán)帶寬fH是使直流開環(huán)差模增益Aod下降3dB(直流增益的0.707)的信號(hào)頻率。實(shí)際值為GBW=Gain*f。
② 單位增益帶寬fc
表示差模電壓放大倍數(shù)Aod下降到0dB(直流開環(huán)差模增益Aod=1)的頻率。一般在1MHz左右。
③ 轉(zhuǎn)換速率(又稱壓擺率)SR
SR是在大信號(hào)作用下輸出電壓在單位時(shí)間變化量的最大值,也表示運(yùn)算放大器對(duì)突變信號(hào)的適應(yīng)能力。要求信號(hào)幅值越大、頻率越高的情況下,壓擺率SR越大。實(shí)際值為2*π*f*Vin*Gain。
④ 共模輸入阻抗
該參數(shù)表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí),輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。低頻時(shí),表現(xiàn)為共模電阻,典型值在108歐以上。
⑤ 差模輸入阻抗(也稱為輸入阻抗)rid
該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比,電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。差模輸入阻抗越大,信號(hào)索取電流越小。
⑥ 輸出阻抗
該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí),輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗。
⑦ 全功率帶寬BW
在額定的負(fù)載時(shí),運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下(直流開環(huán)差模增益Aod=1),將一個(gè)恒幅正弦大信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端,使運(yùn)放的幅度最大時(shí)的頻率。全功率帶寬=轉(zhuǎn)換速率/2πVop(Vop是運(yùn)放的峰值輸出幅度)。
⑧ 靜態(tài)功耗
表示無信號(hào)條件下運(yùn)放的耗電程度。當(dāng)電源電壓為±15V時(shí),靜態(tài)功耗雙極型晶體管一般為50~100mW,場(chǎng)效應(yīng)管一般為1mW。
⑨ 建立時(shí)間
在額定的負(fù)載時(shí),運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下(直流開環(huán)差模增益Aod=1),將一個(gè)階躍大信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端,使運(yùn)放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時(shí)間。
⑩ 輸入電壓噪聲密度(eN)、輸入電流噪聲密度(iN)
噪聲分量。
運(yùn)放計(jì)算思想
虛短與虛斷是分析運(yùn)放的基本點(diǎn)。(引入負(fù)反饋)
01
虛短
虛短指在理想情況下,兩個(gè)輸入端的電位相等,就好像兩個(gè)輸入端短接在一起,但事實(shí)上并沒有短接,稱為“虛短”。虛短的必要條件是運(yùn)放引入深度負(fù)反饋。集成運(yùn)放的線性應(yīng)用時(shí),可近似地認(rèn)為uN-uP=0,uN=uP時(shí),即反相與同相輸入端之間相當(dāng)于短路,故稱虛假短路,簡(jiǎn)稱“虛短”。
02
虛斷
虛斷指在理想情況下,流入集成運(yùn)算放大器輸入端電流為零。這是由于理想運(yùn)算放大器的輸入電阻無限大,就好像運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間開路。但事實(shí)上并沒有開路,稱為“虛斷”。當(dāng)兩個(gè)輸入端的輸入電流為零,即iN=iP=0時(shí),可認(rèn)為反相與同相輸入端之間相當(dāng)于斷路,稱為虛假斷路,簡(jiǎn)稱“虛斷”。
運(yùn)放保護(hù)措施
集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個(gè)方面:電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)。
01
電源保護(hù)
電源的常見故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護(hù)和電源電壓突變保護(hù)。
02
輸入保護(hù)
集成運(yùn)放的輸入差模電壓過高或者輸入共模電壓過高(超出該集成運(yùn)放的極限參數(shù)范圍),集成運(yùn)放也會(huì)損壞。
03
輸出保護(hù)
集成運(yùn)放過載或輸出端短路時(shí),若沒有保護(hù)電路,該運(yùn)放就會(huì)損壞。有些集成運(yùn)放內(nèi)部設(shè)置了限流保護(hù)或短路保護(hù) 。
運(yùn)算放大器六條軍規(guī)
運(yùn)算放大器作為最通用的模擬器件,廣泛用于信號(hào)變換調(diào)理、ADC采樣前端、電源電路等場(chǎng)合中。雖然運(yùn)放外圍電路簡(jiǎn)單,不過在使用過程中還是有很多需要注意的地方。
01
注意輸入電壓是否超限
以ADI器件為例,ADI的數(shù)據(jù)表中的輸入電氣特性可以看到在電源電壓±15V的條件下,輸入電壓的范圍是±13.5V,如果輸入電壓超出范圍,那么運(yùn)放就會(huì)工作不正常,出現(xiàn)一些意料不到的情況。有一些運(yùn)放標(biāo)注的不是輸入電壓范圍,而是共模輸入電壓范圍,如TI的TLC2272在單電源+5V的條件下,共模輸入范圍是0-3.5V.其實(shí)由于運(yùn)放正常工作時(shí),同相端和反相端輸入電壓基本是一致的(虛短虛斷),所以“輸入電壓范圍”與“共模輸入電壓范圍”都是一樣的意思。
02
不要在運(yùn)放輸出直接并接電容
在直流信號(hào)放大電路中,有時(shí)候?yàn)榱私档驮肼?,直接在運(yùn)放輸出并接去耦電容。雖然放大的是直流信號(hào),但是這樣做是很不安全的。當(dāng)有一個(gè)階躍信號(hào)輸入或者上電瞬間,運(yùn)放輸出電流會(huì)比較大,而且電容會(huì)改變環(huán)路的相位特性,導(dǎo)致電路自激振蕩,這是我們不愿意看到的。
正確的去耦電容應(yīng)該要組成RC電路,就是在運(yùn)放的輸出端先串入一個(gè)電阻,然后再并接去耦電容。這樣做可以大大削減運(yùn)放輸出瞬間電流,也不會(huì)影響環(huán)路的相位特性,可以避免振蕩。
03
不要在放大電路反饋回路并接電容
同樣是一個(gè)用于直流信號(hào)放大的電路,為了去耦,不小心把電容并接到了反饋回路,反饋信號(hào)的相位發(fā)生了改變,很容易就會(huì)發(fā)生振蕩。所以,在放大電路中,反饋回路不能加入任何影響信號(hào)相位的電路。由此延伸至穩(wěn)壓電源電路,并接在反饋腳的電容是錯(cuò)誤的。為了降低紋波,可以把電容與反饋電阻并聯(lián),適當(dāng)增大紋波的負(fù)反饋?zhàn)饔?,抑制輸出紋波。
04
注意運(yùn)放的輸出擺幅
任何運(yùn)放都不可能是理想運(yùn)放,輸出電壓都不可能達(dá)到電源電壓,一般基于MOS的運(yùn)放都是軌對(duì)軌運(yùn)放,在空載情況下輸出可以達(dá)到電源電壓,但是輸出都會(huì)帶一定的負(fù)載,負(fù)載越大,輸出降落越多。
05
注意反饋回路的Layout
反饋回路的元器件必須要靠近運(yùn)放,而且PCB走線要盡量短,同時(shí)要盡量避開數(shù)字信號(hào)、晶振等干擾源。反饋回路的布局布線不合理,則會(huì)容易引入噪聲,嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致自激振蕩。
06
要重視電源濾波
運(yùn)放的電源濾波不容忽視,電源的好壞直接影響輸出。特別是對(duì)于高速運(yùn)放,電源紋波對(duì)運(yùn)放輸出干擾很大,弄不好就會(huì)變成自激振蕩。所以最好的運(yùn)放濾波是在運(yùn)放的電源腳旁邊加一個(gè)0.1uF的去耦電容和一個(gè)幾十uF的鉭電容,或者再串接一個(gè)小電感或者磁珠,效果會(huì)更好。
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