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运算放大器参数指标分析

时间:2020-01-09 00:40来源:海猎人

运算放大器参数指标分析

运算放大器的指标比较多,种类也比较多,但在一个具体的设计中,并不是所有的指标都会成为主要矛盾,通过对电路结构、应用场合、关键需求指标的分析,抓住重点,其他影响较小的指标就可以忽略了。例如普通的运算放大器可以作为比较器使用,专门的比较器运放也作为比较器使用,但普通运放里面的电路是负反馈,因此一旦发生反转,上升沿、下降沿相对比较平缓,而专用比较器里面电路是正反馈电路,翻转很快。因此,运放可以作为比较器使用(如果翻转响应时间能接受的话),比较器用于运算放大就有问题了。实际上,带宽特性、共模抑制比等指标,都有其特定的使用场合。

电路设计中的元器件选型,就是一个针对参数指标,进行抓大放小的选择过程,电路设计的魅力和美感大抵也就在于此。

下面以较为通用的LM324数据参数为范例来详细分析每个参数的实际应用(见表4-8)。

4-8

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1)电源电压(PowerSupplyVoltage

运放一般有正负双电源和单电源两种输入电压,电源电压的选择根据信号的电压类型而定。如果信号电压有正负电压,则电源宜选择正负电源。反之,则选择单电源,既满足了使用需求,又可减少输入电源的种类。表4-8中的±16V32V则为此型号运放的电源电压。

2)差动输入电压(DifferentialInputVoltage

运放的差动输入电压指加在U+U-两个输入引脚之间的电压差,不一定是对称的电压,如U+=+18V,而U-=-3V,都是对Gnd的电压,其差动输入电压为18--3=21V。在差动放大电路中,信号输入采用U+U-的差分输入方式,输入电压到运放输入同相、反相端脚的电平大小相同,但相位相反,这是差分放大器的双端输入方式,这种接法可以消除共模干扰,输入信号电压是单端输入信号的两倍。表4-8中此参数的数值为32V(最大输入差分电压值)。

3)输入电压(InputVoltage

U+U-的单端对地之间的电压差值,是对输入信号质量的要求。

4)对地短路电流(OutputShortCircuittoGnd

万一运放不慎接到Gnd上时,对地短路电流虽然很大,但运放内部有限流保护机制,即使因为异常导致出现了短路电流,也不至于烧毁芯片。有一项可靠性设计措施,能用IC实现的功能电路,就尽量就不要用分立元件来搭,原因就是IC内部有较强的保护机制,而且综合考虑各种应用场合下的异常,都在片内设定了容错措施。如小功率驱动电路,可以用三极管驱动,也可以用运放驱动时,基于此规范,就优先推荐用运放电路驱动处理。其中主要考虑的就是此项指标。

5)耗散功率(PowerDissipation

耗散功率不是指芯片的输入功率,而是指输入电功率里被消耗在芯片自身上的那部分功率,这部分消耗功率会转变成热量,对芯片自身形成潜在伤害,还有一部分以电流驱动的方式输出给其他芯片了,这部分不属于耗散功率的内容。这个参数很重要,尤其是工作功率较大,输出电流较大的时候。耗散功率计算式

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其中,

·运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人PP为电源供给功率,即运放电源所供给运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人

·运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人P为输入功率,即运放芯片所有信号输入端,由上一级输入的信号功率,对于信号电路来说,这个数值一般很小,计算中常被忽略;

·运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人为输出功率,运放后面有后接被驱动电路,但其驱动功率由运放输出端提供。

综上所述,可以简单理解为耗散功率就是输入电功率与输出电功率之差值,它最终都在运放元器件自身上以热的形式消耗掉了。因为热损伤热应力是对芯片的一个很大的潜在损伤,因此,这个指标是运放热设计的核心参数,在热计算时非常有用。

不过,在一般信号处理类电路里,都粗略估算为PDPP,另外两部分作为信号输入源和信号输出,功率都很小,都近似忽略掉了。然后根据如下热计算公式进行计算。

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从数据手册上查出运放芯片的热阻R,通过实际工作中的测试测得芯片表面温度Tc,估算出PP,可以求出运放结温Tj,需要确保芯片的(TjPD)在芯片的负荷特性曲线范围内。(负荷特性曲线的内容详见本书第2章)

6)温度范围(OperatingTemperatureRange

元器件的温度范围分为元器件工作温度和储存温度。宜按照元器件的实际环境温度来确定。注意:元器件的环境温度不一定是整机的环境温度,因为设备工作起来后,运放在机箱内,设备自身的发热会导致元器件的周边环境温度高于整机外部环境温度。

7)输入偏置电流(InputBiasCurrent

输入偏置电流指运放工作时同相端、反相端引脚的输入电流(见表4-9)。这个指标易于理解,但难的是在何种电路中,这个指标会发生什么样的负面作用,应如何考虑和避免。

4-9

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举例如下(见图4-17)。

按照虚短”“虚断的概念,(U-=U+=0V,则

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Ui=0V时(见图4-17b),运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人

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这样,即使Ui=0Uo也会有一定的电压输出,运放的输入偏置电流越大,反馈电阻Rf越大,放大电路输出Uo的零点输入漂移就越多。

另外,即使Ui有输入(见图4-17a),但输入值很小,或者Ri很大的时候,电流I的值也会很小,再分一部分给U-端做输入偏置电流,就会引起较大的放大误差,也是不好的。

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4-17

8)输入失调电压(InputOffsetVoltage/输入失调电流(InputOffsetCurrent

即为使运放输出端为0V,所需要施加在两输入端的电压值(见表4-10)。运放里面的电路,同相端和反相端的电路是对称的,如果其电特性、热特性完全一致,输入失调电压就为0V,但因为工艺的缺陷,两个通路不可能性能完全相同,总会有一点点的差异,所以,即使同相端和反相端的电压完全相同,都为0V,输出端仍会有一定的电压输出。为了消除掉这种误差,在高精度要求的电路设计中,就需要加入补偿电压调节,以抵消掉集成运放内部电路缺陷的干扰。不过对于普通精度的电路,这个参数的影响很有限,基本就被忽略不计了。

4-10

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在运放工作中,其同相端和反相端都会有一个输入电流,这两路输入电流就是输入偏置电流,但因为运放两路输入电路的不对称,两路偏置电流会有一点差异,这个差值就是输入失调电流(见表4-10)。一般运放的输入失调电流很小,影响微乎其微,因此在一般运放设计中会忽略。

9)输入共模电压范围(InputCommon-ModeVoltageRange

运放的共模输入电压指运放正输入端和负输入端的中点电压,即

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线性工作状态下,Uin+=Uin-UCM=Uin+=Uin-。对于大多数运放,UCM最高不大于运放正电源电压,最低不低于运放负电源电压。示例见表4-11

4-11

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10)开环放大倍数(LargeSignalVoltageGain

指在没有负反馈的情况下(开环路状况下),运算放大器的放大倍数,也称为开环增益,其理想值为无穷大,一般实际值也在数千倍到数万倍之间,其表示方法有dBV/mV等。

如表4-12所示,典型值为100V/mV,如果用dB表示的话,则为运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人

4-12

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11)运放的输出电压范围(OutputVoltageSwing

该数值受运放所接负载大小的影响,不同负载阻抗下会有不同的数值(见表4-13),运放内部输出端会有输出阻抗,驱动管输出一般会采用推挽电路,输出电流变化范围大时,驱动管导通,管上的压降会随电流的变化而变化,因此,运放输出范围跟负载有一定关系。后续所接电路的输入阻抗越大,从运放电路里所吸取的电流越小,则输出电压波动越小,越能反映其输出电压的真实值。

对于大负载电路的驱动,此数值值得关注。因为任何电路的驱动,都需要满足电压、电流两个条件,如果负载过重,电流太大,在运放内部驱动管上的压降较多,则会导致电流虽然供给了,但驱动电压不足的问题。因此,宜同步关注输出电压与电流的关系曲线。确保电流电压同步输出,均能满足后接电路的电压、电流要求。

4-13

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12)共模抑制比(Common-ModeRejectionRatio

常用KCMMR表示,单位为dB,计算式为运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人

Aud为运放对差模信号的放大倍数,Auc为运放对共模信号的放大倍数。因为运放是差分输入电路,进入运放的信号是同相端与反相端的电压信号差值,同相端和反相端上的输入共模信号,如果两路输入端的运放内部电路绝对平衡的话,会因为两路输入端电压相等而相减抵消掉;但两路输入端电路不可能是绝对平衡的,因为这种不平衡,会导致共模输入部分经过不同的阻抗通路后,产生不同的衰减,因此在输出端就会形成差模电平。电路的平衡程度会形成对共模输入的抑制,抑制的程度就是共模抑制比。

4-14

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如表4-14所示,共模抑制比CMRR=85dB,即

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意指本运放对差模信号的放大倍数是对共模信号放大倍数的17783倍。

13)电源抑制比(PowerSupplyRejectionRatio

在输入信号稳定的时候,把电源的输入与输出看作独立的信号源,电源输入的纹波与Uo输出端的纹波比值即是PSRR,通常用对数形式表示,单位是dB

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对于高精度的运算放大器电路,电源电压发生变化时,要求对信号输出电压的影响极小。电源抑制比可分为交流电源抑制比和直流电源抑制比。外部电源的调整率会以电源抑制比的形式直接转变成运算放大器网络的输出误差。

4-15

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如表4-15所示,电源抑制比PSRR=100dB,即

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意指本运放工作时,当电源纹波为1V时,运放输出端的纹波是10μV

14)输出短路电流(ShortCircuittoGND

运放输出端对地短路时,并不会像理论计算值一样输出一个无穷大的电流,因为其内部的过流保护和驱动能力受限,这个输出的电流就是输出短路电流,这个指标是为了保护运放的工作状态。这个指标就决定了一个运放所能驱动的最大负载。

4-16

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15)输出驱动电流(OutputCurrent

指运放正常使用时,输出端对后续电路所接负载的电流驱动能力(见表4-17)。

4-17

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16)增益带宽积(GWB

增益带宽积指标用来衡量一个放大器能处理信号的频率范围,带宽越高,能处理的信号频率越高,高频特性就越好,否则信号就容易失真,这是针对小信号来说的,在大信号时一般用压摆率(或者叫转换速率)来衡量。

增益带宽积定义为:运放的闭环增益为1倍的条件下,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得闭环电压增益下降3dB(或是相当于运放输入信号的0.707倍)所对应的信号频率。这个信号频率与放大倍数1倍的乘积即为增益带宽积。

一个运放的增益带宽积指标,有一个简单的测试方法:把运放接成电压跟随器的形式,输入一个固定电压的信号,然后逐步提高输入信号的频率,当输出信号的电压下降到约为输入电压的0.707倍的时候,此时的频率就可以简单认为是运放的带宽,此时的放大倍数为1,所以这个频率值与增益1的乘积就是运放的增益带宽积。

增益带宽积是一个很重要的指标,对于正弦小信号放大时,单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积,换句话说,就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后,就可以计算出单位增益带宽,用以选择合适的运放。这项参数用于小信号处理中的运放选型。

例如某个运放的单位增益带宽=1MHz,其增益带宽积为1MHz×1倍;若实际电路闭环增益=100,则1MHz×1=BW×100倍,BW=10kHz,即能处理的小信号的最大频率为10kHz。对于直流信号,一般不需要考虑带宽问题,主要考虑精度问题和干扰问题。

当输出信号幅度很小,在0.1Up-p以下时,主要考虑增益带宽积的影响。而输出信号幅度很大时,主要考虑转换速率SR的影响,单位是运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人

17)压摆率(转换速率)(SR

运放接成闭环的条件下,将一个大信号(含阶跃信号)输入到运放的输入端,从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间,运放的输入级处于开关状态,所以运放的反馈回路不起作用,也就是转换速率与闭环增益无关。

例如某运放的压摆率运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人,输出电压UP-P=30V。在这种情况下要算功率带宽,运算放大器参数指标分析 - 海猎网-海猎人,设计电路时,要同时满足增益带宽和功率带宽。即此运放能处理的大信号的最大频率为79.6kHz

集成运放从性能上可分为通用型特殊型两种。通用型运放指其特性参数照顾到大多数常规应用电路的需要,各项技术指标比较均衡。适用于要求不那么苛刻的大多数应用场合。而特殊型运放是指在诸多特性参数中特别突出其中某一项或某两项,而其他指标基本与通用运放相当的元器件。例如单电源”“高阻抗”“高速”“低漂移”“高精度等,更适用于特殊要求的应用场合。

从工作环境温度范围分,集成运放又分为军品(-55+125)、工业品(-40+85)、民品(或称商业品、0+70)三种。其中军品均采用金属圆壳或双列直插(DIP)陶瓷封装,工业品除采用金属圆壳或陶瓷双列外,也大量采用塑料双列直插封装,而民品则一律采用塑料双列直插封装。为满足厚膜、薄膜及模块电路的需要,厂家也有供表面安装用的贴片式封装。

运放的选型,首要考虑工作温度范围。石油钻探井下测试电路,因地温梯度问题(地壳内的温度随着离地面深度的加深,压强逐步加大,温度会逐渐升高),温度随井深而增加,故必须选用军品,甚至选用专门的耐高温元器件(可工作于175);用于野外作业的仪器设备,我国东北冬季气温可达-40,因此要用工业品;如一般在室内工作的家用电器和仪器设备,在精度满足的条件下用民品即可。

至于选择通用型运放还是特殊型运放,要由技术要求确定。如要求高精度,则应选低漂移运放;用作音响放大时,则选宽带或高速运放;积分电路要求高阻抗运放;便携式仪表则用单电源运放等。

运放型号选定后,下一步就要考虑用什么样的电源工作。集成运放供电电源的典型值是±15V,但实际应用中没有必要都用±15V,可按电路需要灵活选择。目前使用的绝大多数运放都能在很宽的电源电压范围(如±3±18V)内正常工作,这是因为许多集成运放采用镜像微电流源来为输入级建立工作点,使输入差分级工作点电流仅与电源电压的对数成比例,即使电源电压在很大范围内波动,其输入级工作点仍变化不大,故不影响其正常工作。因此,只要选择运放手册中有关电源电压指标的范围内电压即可。只要在其范围内的电压,均是合理可行的。

除了运放的电压要求外,还考虑电路的具体需要和设备中已配置的电源。如放大电路的输出电压范围在±3V以内,那么选用±5V的电源就可以了。用±15V供电虽然也能工作,但没必要。

如果设备中已有现成的±15V电源,也不必去另设计一套±5V电源。电路系统中所用电源种类较少、电压较低为好。元器件在低电压下工作,当不慎出现意外事故如输出短路时,可大大降低元器件损伤比例。

在电路要求稳定性好、电网干扰较强以及印制板上电源引线过长时,在印制板上靠近运放正、负电源端对地接0.01的去耦电容,以提高其抗扰性。在要求安全防爆设计的应用场合如用于矿井下的设备,去耦电容的容量不能大于0.01μF

集成运放是一个高增益的三级直接耦合放大器,用它组成的线性电路大多工作在深度负反馈状态,工作应该是很稳定的。但在实际中,有时却会出现自激现象,即使输入信号为零,放大器输出端仍能观察到有高频振荡的输出波形,有时甚至是幅度相当大的自激振荡。若不消振,放大器是无法正常工作的。

负反馈放大器为什么会表现出正反馈电路的自激状态呢?这是因为,集成运放输入级和中间级的增益相当高,因此,集成晶体管哪怕很小的PN结电容在高频时也会形成较大的附加相移,如果在某一高频下集成运放各级所形成的附加相移累计达到180°,则在直流或低频下接成的负反馈,在这个高频的频点下就变成了正反馈。只要有一点幅值的干扰谐波,在这个频点上就会因正反馈而被加强,出现自激振荡。

消除自激的方法有两个,一个是在附加相移为180°时,增益小于1;二是在增益大于1时,附加相移小于180°。可在电路反馈回路中加一个很小的跨接补偿电容C,以附加高频负反馈来降低集成运放在高频段的增益,以使附加相移虽达到180°而变成正反馈时,其回路增益被降至小于1。但低频和直流放大不受影响。这样即使放大器在高次谐波干扰下出现正反馈振荡,但因回路增益过小,振荡无法维持,电路也就稳定了。

目前集成运放中,大多数电路内部已用集成工艺制造了补偿电容,并保证在最坏的情况下运放都能稳定工作,使用这种元器件时不考虑补偿,也不会出现自激。但也有些运放内部没有加这个电容,而是从应该接补偿电容的地方引出两个引脚来供用户外接补偿电容用,习惯称之为外补偿运放。这两种元器件各有其特点,内补偿运放使用方便,但补偿电容的容量按最坏情况下设计,因而电容量较大,致使集成运放的高频增益明显下降,频带变窄。这对放大直流信号或低频交流信号当然影响不大,但信号频率一高,放大器就不能正常工作了。而外补偿运放的外接补偿电容容量可以根据需要灵活选用。

这样,在要求集成运放有较宽的频带,例如用作音响前置放大时,就可根据放大器的增益选择补偿电容:增益越低(反馈越深),越容易振荡,可加较大的补偿电容;增益越高,越不容易振荡,电容可相应减小,甚至不加。一般情况下,外补偿运放补偿电容容量与放大器闭环增益间的对应关系在元器件手册中均有参考数据,用户在此基础上经过实际调试即可确定所需容量。调试时不仅应保证所取电容能消除自激,还应适当增大使其有一定的稳定裕量,以保证在环境条件(如温度等)变化时仍能正常工作。

在消除放大器自激后,下一步是调零。当输入信号Ui=0(即输入端接地)时,若把运算放大器看成理想运放(放大倍数AVD=∞、输入电阻RID=∞、共模抑制比KCMR=∞、失调UIO=0IIO=0……),并有RB=RI//Rf,则输出电压U0=0。加入信号后,输出从零开始变化。但实际上,由于运算放大器输入级差分电路总有不对称,因而存在输入失调电压VIO和输入失调电流IIO,而且不可能绝对做到RB=RI//RF,因此,输入为零时输出不会是零。所谓调零,就是希望通过外加的调零电路,能在U1=0时将输出U0调到零。

通常外加的调零端均自运放输入差分级集电极负载处引出,通过引脚接入的电位器串,并在RC上,以改变差分电路两边的集电极负载电阻,通过两边的集电极负载电阻调成某种程度的不对称,以抵消原电路中两边RC、两只晶体管以及偏置电路等所有的不对称因素的影响,恰好使输出U0=0

调零电位器的阻值在元器件手册及典型应用电路中会给出。不过,调零尽量不用电位器。电位器的特点是对振动应力敏感,因此,在出厂前,把运放电路的精度调得很好,但经过运输、安装磕碰、工作中的振动环境,电位器极易产生机械转动位移,反而导致出现长期工作的不稳定性。即使加了固定胶将可调螺丝固定定位,但因为可调螺丝、胶、电位器外壳塑料等几种材料的特性不同,遇到温度冲击时,因为三种材料的收缩系数和膨胀系数不同,温度变化较大时,三种材料的接触部分可能会产生互相拉伸的内应力,容易使粘接拉开。粘接被拉开后,遇到振动应力,仍然会发生调零漂移的问题。最好的方法是调零完成后,换成定值电阻替代调零电位器,这样,虽然出厂时的参数不一定很准,但长期稳定性较好。

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