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從零學運放—運算放大器的參數

冬至子 ? 來源:硬件三人行 ? 作者:伏學君 ? 2023-07-08 11:58 ? 次閱讀

運放常用基本參數,如下:

※輸入失調電壓(InputOffset Voltage)Vos

※輸入失調電壓的溫漂(OffsetVoltage Drift)Drift

※輸入偏執(zhí)電流(InputBias Current)Ib

※輸入失調電流(InputOffset Current)Ios

※共模電壓輸入范圍(InputCommon-Mode Voltage Range)Vcm

※輸出動態(tài)范圍特性(OutputCharacteristics)

※壓擺率(SlewRate)SR

※增益帶寬積(GainBandwidth Product)GBP

※開環(huán)增益(Open-LoopVoltage Gain)Aol

※共模信號抑制比(CommonMode Rejection)

電源紋波抑制比(SupplyVoltage Rejection)

※噪聲密度(NoiseDensity)

實際運放參數有很多種,這里只是列出來我們通常普遍用到的參數。

下面是輸入特性

1.1 、輸入失調電壓( InputOffset Voltage **)**Vos

將運放的兩個輸入端接地,理想運放輸出為零,但實際運放輸出不為零。將輸出電壓除以增益得到的等效輸入電壓稱為輸入失調電壓。

一般定義為運放輸出為零時,兩個輸入端之間所加的補償電壓。該值反映了運放內部電路的對稱性,對稱性越好,輸入失調電壓越小。

高精度運放,內部補償電路做的好,對稱性好,相對來說就貴。

** Vos** (輸入失調電壓)越小,芯片價格就越貴。

那么我們是根據我們信號的特性來選擇我們的運放,不一定所有的使用運放的地方都用高精度運放,要考慮到我們產品性價比,成本需要廉價。

下圖是,運放的Vos參數圖表:

圖片

一般給出一個典型值(常溫下25℃),然后給出一個全溫度的范圍值。

一般來說我們做設計時我們要考慮的都是最大值(Max),并且是全溫度的最大值,因為我們不能保證我們的產品工作在什么溫度下并且全溫度下已經考慮了溫漂的影響。

Vos是離散分布的,不同的個體,它的分布屬于高斯分布(正態(tài)分布)的一個狀態(tài)下。針對某一個芯片呢,它的Vos是固定的(同溫度下),這個固定也是相對的,它會隨著溫度的變化而變化(這個就是由另一個參數體現(xiàn)的--輸入失調電壓的溫漂)。

1.2 、輸入失調電壓的溫漂( OffsetVoltage Drift

輸入失調電壓的溫漂又叫溫度系數TCVOS,一般為數uV/C輸入失調電壓的溫度漂移(簡稱輸入失調電壓的溫漂)aVIO:定義為在給定的溫度范圍內,輸入失調電壓的變化與溫度變化的比值。

作為輸入失調電壓的補充,便于計算在給定的工作范圍內,放大電路由于溫度變化造成的輸入失調電壓漂移大小。

做的好的高精度運放,溫度每升高一度,電壓變化納伏級別計算;一般的,溫度每升高一度,電壓升高變化微伏級別計算。

下面是一個運放的輸入失調電壓的溫漂曲線表,如下:

圖片

此參數也有典型值和最大值,那么我們計算的時候也按照最大值來計算。

1.3 、輸入偏置電流( InputBias Current IB

定義為當運放的輸出直流電壓為零時運放兩輸入端流進或流出直流電流的平均值。

輸入偏置電流對進行高阻信號放大、積分電路等對輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流與制造工藝有一定關系。

輸入偏置電流對我們的源信號有影響,源信號的輸出阻抗輸出電流會有一部分進入運放或者說經過運放進入地回路,這部分就看電流(IB)大小,如果過大就會對源信號有所影響,相當于對源信號的一個分壓,那么我們可以利用一個電阻來計算一下它對源信號的一個影響。

圖片

IB的大小主要受制于制造工藝,好的工藝可以做到pA級別(CMOS),一般的工藝可以做到納安級別。

那么上面這幅圖呢,我們可以看到,IB是流入地的,Vos是疊加在輸入端的(可能是正或者負),正的話就是疊加在信號上,如果是負的話相當于在你的源信號上減去Vos。

所以呢好多人提到運放的時候都會問,運放是否線性。實際上運放是線性的,也就是說減去這個Vos或者疊加這個Vos之后是線性的。通過軟件程序我們如果能把這個Vos扣除掉,那么可以看到這個信號是線性變化的。那么加上Vos其實呢也是線性變化的,只不過是在時間軸上有個偏移。

圖片

上表我們可以看出,常溫下呢,是pA級別,全文溫度下呢是nA級別(偏差就比較大了)。也就是說這個參數受制于溫度,那么我們在設計的時候,源信號阻抗方面我們一定要考慮這個IB的影響,用這個IB的最大值來考慮,也就是你這個源信號輸出的帶載能力(輸出的電流)一定要能滿足IB的需要,因為IB會分掉一部分。

1.4 、輸入失調電流( InputOffset Current **)**Ios

輸入失調電流定義為當運放的輸出電流電壓為零時,其兩輸入端(同相端IB和反相端IB)偏置電流的差值。輸入失調電流同樣影響了運放內部的電路對稱性,對稱性好,輸入失調電流越小。

圖片

這個參數呢其實是IB參數的一個補充,那其實通常來我們也不看它,因為通過IB參數就可以看出來。

1.5 、共模電壓輸入范圍( InputCommno-Mode Voltage Range **)**Vcm

運放兩輸入端與地間能加的共模電壓的范圍。也就是運放的同相端和反相端能夠施加的電壓范圍(輸進來的電壓范圍)。

Vcm“包括”正、負電源電壓時為理想特性。

所謂“Railto Rail Input”就是指輸入共模電壓范圍十分接近電源軌,一般可以高于負電源軌,而稍微低于正電源軌。

通常我們會聽到軌對軌運放,軌對軌運放分軌對軌輸入和軌對軌輸出,所謂的軌對軌就是到電源軌。比如說運放5V供電,那么你的電源軌就是0和5V。如果你的運放供電是-5V、+5V,那你的電源軌就是-5V和5V。

理想情況下呢,軌對軌運放,它能夠包括正負電源的供電電壓,比如說你的供電是5V那么共模電壓范圍就是0-5V之間。

那軌對軌輸入或輸出,實際測量的時候還是有個差值存在,并不是真正的等于。剛才我們看到運放電路的內部結構,它內部也是MOS管或者場管,如果是MOS管那么你的導通RDS肯定是有的,只要有RDS就會有壓差,這個壓差會根據運放工藝而定,幾個毫伏到幾十個毫伏的誤差(這幾十毫伏之內我們也就認為是等于了)。這個誤差有些場合還是要關注的,比如說我們單電源供電時,有些人想讓這個運放在輸入0的時候,輸出等于0,這是很難做到的(RDS(導通阻抗)在)。

如果應用上真的需要輸入0輸出為0的話,最好使用雙電源供電。當然現(xiàn)在也有一些運放可以做到輸出非常小。

下面是輸出特性

輸出特性中,輸出的高電平、低電平、輸出帶載能力這里放在一起了。一般來說運放的帶載能力都不是特別強,但是有些運放會做的很大,會把驅動能力做到幾百個毫安;那我們常見的運放一般都是30毫安左右。帶載能力越大,不管是原電流還是管電流都會導致輸出電壓偏移很大。有些運放會運用輸出短路電流來表示,也就是你的輸出直接接地,這個時候輸出電流的最大電流,就是表示出來的短路電流(極限電流)。

1.6 、輸出動態(tài)范圍特性( OutputCharacteristics

既輸出電壓范圍,所謂“Railto Rail Output”既軌對軌輸出,輸出Voh、Vol極為接近供電軌,但無法等于供電軌,會有幾十mV的距離,也與負載有關。

1.7 、輸出電流特性( ShortCircuit Limit

既運放的帶載能力,一般會給出Sink、Source電流大小,也有運放只給出短路時的極限電流。

圖片

上表是輸出特性參數值(AD855X)

高電平輸出(Ovh)直接掛100K負載,那么輸出電壓最小值,2.685V,可以看出供電電壓是2.7V的,壓降很小很小。不同的負載和溫度環(huán)境,會把這個高電平拉下來是不一樣的。

低電平輸出(Ovl)直接掛100K負載,外運放用作比較器或者輸入0的時候,輸出的最大值有10個毫伏的差異,也就是說不會真正輸出0,這個已經做的不錯了,全溫度下也是10毫伏。

Isc短路情況下的極限電流,10毫安,也是比較小的。輸出帶載能力我們只能看最小值。

Io常溫情況下10毫安,也就是源電流和灌電流就是10毫安。全溫度下是5毫安。

通過這個表我們看出,做設計時我們不能指望運放能驅動多強的負載。只能說流進這個運放多強的電流。

下面是交流特性

1.8 、壓擺率( SlewRate **)**SR

也叫轉換速率;其定義為:運放接成閉環(huán)條件下,將一個大信號(含階躍信號)輸入到運放的輸入端,從運放的輸出端測運放的輸出上升速率。

由于在轉換期間,運放的輸入級處于開關狀態(tài),所以運放的反饋回路不起作用,也就是轉換率與閉環(huán)增益無關。

信號從某個狀態(tài)條變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)的時候所用的時間,也就是上升的速率是多少。

在處理交流信號或者把運放當比較器的時候我們會考慮這個參數。

壓擺率越大,對應運放的帶寬也就越高。也就是說壓擺率與增益帶寬積是相匹配的一個參數。增益帶寬積大的(高運放)它對應的壓擺率也要很快的,要不然處理頻率比較高的信號反映不過來。上升有一個上升沿,下降有一個下降沿,這兩部分就會消耗掉一部分頻率時間。

1.9 、增益帶寬積( GainBandwidth Product **)**GBP

單位增益帶寬定義為,運放的閉環(huán)增益為1倍條件下,將一個恒幅正弦小信號輸入到運放的輸入端,從運放的輸出端測得閉環(huán)電壓增益下降3db(或是相當于運放輸入信號的0.707)所對應的信號頻率。(測試的時候輸入恒幅正弦1V1KHz的信號,我們測輸出端,當輸出端電壓值下降到0.707的時候,那么運放輸入端的頻率就是運放的增益帶寬積了,從1KHz逐漸增大,那么輸出端的頻率值在逐漸下降,也就是受制運放的增益帶寬積已經反應不過來了,信號的輸出幅值就會逐步下降,當下降到3db的時候(0.707時候),輸入端的頻率就是運放增益帶寬積)

這個是我們處理交流信號非常重要的一個參數,通過這個參數我們來設置信號的單級放大倍數(單級放大倍數不能太大,如果太大輸出信號幅值跟增益就不一樣了),實際上它是增益和輸入信號的頻率它們兩個是相關的,就是輸入信號的頻率乘以增益那么就受制于GBP這個參數,這個乘積不能大于GBP,這個乘積實際上我們在運用的時候呢一定要遠遠小于GBP。

1.10 、開環(huán)增益( Open-LoopVoltage Gain **)**Aol

定義為當運放工作于線性區(qū)時,運放輸出電壓于差模輸入電壓的比值

由于差模開環(huán)直流電壓增益很大,大多數運放的差模開環(huán)直流電壓增益一般在數萬倍或更多,用數值直接表示不方便比較,所以一般采用分貝方式記錄和比較。

理想運放的開環(huán)增益為無窮大,實際運放一般在80dB~150dB。

這個也是處理交流信號比較重要的參數。這個參數越大越好,越大那么我們設置單級放大倍數可以大一些。

常規(guī)的運放一般都是在80dB~150dB之間,150dB都很少見,一般都是80dB。

圖片

增益設置在三角形區(qū)域內是比較安全的。

1.11 、共模信號抑制比( CommonMode Rejection

共模抑制比定義為當運放工作于線性區(qū)時,運放差模增益(AV)與共模增益(AVC)的比值。即在運放兩輸入端與地間加相同信號時,輸入、輸出間的增益稱為共模電壓增益AVC,則CMRR=AV/AVC

共模抑制比是一個極為重要的指標,它能夠抑制共模輸入的干擾信號。

這個參數我們希望越大越好,值越大,那么運放抑制共模干擾就越強。越大越貴。

圖片

頻率越高,共模抑制比就越小。

1.12 、電源紋波抑制比( SupplyVoltage Rejection

定義為當運放工作于線性區(qū)時,運放輸入失調電壓隨電源電壓的變化比值。即正、負電源電壓變化時,該變化量出現(xiàn)在運放的輸出中,并將其換算為運放輸入的值。

若電源變化△Vs時等效輸入換算電壓為△Vin則PSRR=△Vs/△Vin

電源電壓抑制比反映了電源變化對運放輸出的影響。

圖片

這個參數越大越好。這個值隨頻率越高,那么它的值也就越低。

1.13 、噪聲密度( NoiseDensity

運放本身內部電路也固有存在的噪聲,分為電壓噪聲和電流噪聲。

通常規(guī)格書中都以nV/rtHz和pA/rtHz來表示,也就是與頻率相關的一個指標。(頻率越低這個指標越高,頻率越高這個指標就越小)

參數越小,運放自身引入到系統(tǒng)的噪聲也越小。

處理交流信號,尤其處理音頻信號時非常關注的一個參數(選擇這個參數小的)。這個參數是運放本身所固有的參數。

圖片

左邊是電壓噪聲密度,右邊是電流噪聲密度。

那么上面這寫的就是我們運放所要關注的基本參數,當然你要看運放規(guī)格書還有很多參數,例如輸入阻抗、輸出阻抗、輸入電容等這些參數(大廠會提供,不給呢也沒什么影響)。

2 、極限參數

※ Supply Voltage(Vs)(供電最大電壓)

※ Input Voltage(共模輸入電壓)

※ Differential Input Voltage(差模輸入電壓)

※ Operating TemperatureRange(工作溫度范圍,這個溫度是環(huán)境溫度的2倍)

※ Input Current(輸入電流,很多運放會不提供)

ESDSusceptibility(靜電等級,人體靜電放電模式(hbm)和機器模式放電模式(mm)和芯片自身放電模式(ctm芯片內部對外的放電模式))

圖片

這個是兩份規(guī)格說明書中對極限參數的描述。

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