小信號放大應(yīng)用中運放選擇的關(guān)注點

在運放選型中，一些常用的指標(biāo)選擇比較簡單，例如根據(jù)自身供電選擇供電電源、根據(jù)增益及帶寬選擇增益帶寬積(GBW)、根據(jù)精度要求選擇等效輸入噪聲電壓/電流、根據(jù)空間選擇封裝等等。

但是在一些小信號放大電路中，還有一些比較精細(xì)的指標(biāo)需要仔細(xì)分析對比。

1. 幾種相關(guān)指標(biāo)的定義

這里主要說說運放的失調(diào)電壓、失調(diào)電流、偏置電流、輸入阻抗以及輸入級(定義主要參考ADI技術(shù)資料MT-035、MT-037、MT-038等)。

1.1. 失調(diào)電壓：

理想狀態(tài)下，如果運算放大器的兩個輸入端電壓完全相同，輸出應(yīng)為0 V。實際上，還必須在輸入端施加小差分電壓，強(qiáng)制輸出達(dá)到0。該電壓稱為輸入失調(diào)電壓Vos。輸入失調(diào)電壓可以看成是電壓源Vos，與運算放大器的反相輸入端串聯(lián)，如圖所示。

1.2. 偏置電流

理想情況下，并無電流進(jìn)入運算放大器的輸入端。而實際操作中，始終存在兩個輸入偏置電流，即IB+和IB-。

1.3. 失調(diào)電流

“輸入失調(diào)電流”IOS是IB–和IB+之差，即IOS = IB+ − IB–。

1.4. 輸入阻抗

電壓反饋(VFB)運算放大器通常具有差模和共模兩種指定的輸入阻抗。

共模輸入阻抗數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格參數(shù)(Zcm+和Zcm–)是從任一輸入至地(不是從兩者至地)的阻抗。差分輸入阻抗(Zdi­)是指兩個輸入之間的阻抗。這些阻抗通常是電阻性的，且阻值較高(105至1012 Ω)，還有一些并聯(lián)電容(通常為幾pF，有時可高達(dá)20至25 pF)。大多數(shù)運算放大器電路中，反相輸入阻抗都通過負(fù)反饋降至極低值，起重要作用的只有Zcm+和Zdiff。

1.5. 運放輸入級

雙極性晶體管(BJT)輸入，輸入級使用雙極性晶體管，其特性如下：

場效應(yīng)晶體管(FET)輸入，輸入級場效應(yīng)管，其特性如下：

2. 選型分析

當(dāng)進(jìn)行小信號放大(電壓信號)時，必須根據(jù)信號源的幅值和輸出阻抗來進(jìn)行選型。

2.1. 失調(diào)電壓Vos

在某些應(yīng)用中，信號源的幅值很低，例如1mV。而很多運放的失調(diào)電壓接近大于1mV，例如將1mV信號源輸入到-1mv失調(diào)電壓的運放，放大后的輸出信號0V。

因此，當(dāng)信號源幅值很低，必須首先考慮運放的Vos。如果Vos跟被測信號幅度差不多，甚至更大，則放大后的信號幅值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離預(yù)期。雖然這個偏置可以通過調(diào)零電路來調(diào)，但是Vos較大運放，Vos隨溫度的漂移也會較大，還是會給測量精度帶來很大影響。

此時，選擇BJT輸入級比較合適(Vos相對小)。

2.2. 輸入阻抗

理想運放輸入阻抗無窮大，信號源可以完全被放大器放大。但是實際運放的輸入阻抗是個有限值。對于電壓反饋型運入，輸入阻抗主要由輸入級的決定，一般BJT輸入級的運放。的共模輸入阻抗會大于40MΩ。差模輸入阻抗大于200GΩ。對于JFET和CMOS輸入級的運放，輸入阻抗要大的多。

如果信號源的阻抗較大，例如1MΩ，運放輸入阻抗是40MΩ，那么由于分壓作用，實際輸入到運放的信號幅度降低約2.5%。

因此，當(dāng)信號源輸出阻抗較大，選擇FET輸入級運放效果會更好;如果信號源輸出阻抗較小，那么選BJT或者FET輸入級都沒問題。

2.3. Ib、Ios

當(dāng)信號源輸出阻抗較大，會存在較大的熱噪聲，偏置電流流經(jīng)信號源的輸出阻抗會產(chǎn)生電壓噪聲。

所以當(dāng)信號源輸出阻抗較大，選擇FET輸入級比較合適。

2.4. 確立主要矛盾

在實際的設(shè)計中，某些時候不同的項目適合的運放會產(chǎn)生沖突，例如小幅度大輸出阻抗的信號源，考慮Vos需要選擇BJT運放，考慮輸入阻抗和Ib需要選擇FET，那么就必須清楚哪個因素占主導(dǎo)地位，綜合考慮實現(xiàn)總的誤差最小。