运算放大器(二)-参数细讲(1)

书接上文,我们讲了第一个参数-供电电压Vss。此文将补充剩下的参数。强调一下:一个运算放大器至少需要五个引脚。

一、虚短 虚断

 上图为运算简化图,首先我们来复习一下分析运算的基本方法-虚短、虚断。

规范下文的符号:反向输入端电压为V-、电流为I-        正向输入端电压V+、I+

虚短:V+=V-

虚断:I+=I-=0,这个我们可从理想运放的输入阻抗参数来理解,因为输入阻抗无穷大,当有限的电压加上去的,I=U/R可知I可无限接近于0.

二、供电电压Vss

        复习一下上文的第一个参数-供电电压Vss。

        在实际运用中,某些运放可用单电源也可用双电源,这个根据Datasheet以及实际运用厂家来权衡。

        但有几个基本原则则是:1双电源供电的运放,正负电源尽量同时接入,否则容易损坏运放。

2不要带电接线、拔线或改线等。

        举个例子:

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OPA228.

        通过查阅OPA228的datasheet可知,其Vss=正负20,最大的单电源为40V。则在运放供电时Vcc+和Vcc-可取小于等于18V。单电源供电时,Vcc小于35V,Vcc-=GND。在实际运用中留有裕量。

二、输入偏置电流IB(B为下标,编辑不好弄)

        理想运放由于虚断虚短,流入反向输入端和同向输入端电流本为零。在实际应用中,其两者均不为零。此时输入偏置电流IB(Input Bias Current)=[(Ib+)+(Ib-)]

        IOS定为两个电流差。IOS=(Ib+)-(Ib-)。此参数在实际运用中越小越好。

        举个例子:Ib+=7pA,Ib-=3pA。则IB=(7+3)/2pA=5pA,IOS=7pA-3pA=4pA

        Ib+、Ib-可在反向输入端和同向输入端两端各自接入电流表来检测。

 OPA227

        OPA227的datasheet中可查到其IB=正负2.5(TYP),正负10(MAX)单位均为nA。

        市场上存在着fA级别的运放,具体有LMC6001、LMC6042A、LMC6062A、ICH8500A、AD549LH、OPA128LM等,低IB运放一般用于精密电流检测及其其他需要低IB场合

        可查阅书籍《牛人图解DIY 1pA超微电流测试器》

        用光电二极管来检测光的强度,光电二极管电流很小,Rf需要用很大的电阻(GΩ或者TΩ级别的电阻)来提取微弱电流,同时由于其电流非常微弱,为了防止Vcc与-Vcc的供电电源在反相输入端产生的感应电动势会对检测电流造成影响,可用GUARD RING(保护环)技术。

        运算放大器的工艺决定Vos和Ib,此处我们粗略讲讲:

        1、Bipolar:低输入阻抗,Ib=1-100nA,Vos=10-1000uV,低至0.1uV/℃,低电压噪声

        2、JFET:高输入阻抗,Ib=10-100pA,但缺点是温漂大,每十摄氏度翻倍。Vos=0.1-5mV

        3、CMOS:高输入阻抗,低失调;轨到轨输出能力;低功耗;Iq可低至700nA

        TI自己有一种工艺:DiFET,极高的输入阻抗,Ib低至3fA,低失调;极低的电流和电压噪声;最好的直流精度。

        上述的工艺可相互结合如下:

        1、BiFET:Bipolar+JEFT:FET输入,Bipolar输出

        2、BiCMOS:Bipolar+CMOS,常见于模数混合电路,如电源芯片。

对于Vos和Ib来说,工艺是其关键。

        在精度高的地方要特别注意这两个参数,一般运用可不太关注。

三、噪声Vn

        噪声是器件固有的,且是随机的,我们无法消除。

        当然,在实际运用,肯定是希望其越小越好。

        在放大小信号时,则必须选用低噪声运放。

        噪声的单位为:nV/根号Hz@1KHz,在datasheet中会标出不同频率下的噪声,@1KHz是比较典型的一种。

        比如,OPA211的Vn则为1.1nV/根号Hz@1KHz

        噪声在运放中可分为两种,一种是白噪声,另外一种是1/f噪声。白噪声与频率无关,1/f与频率有关,所有才有了@1KHz的说法

 

 

四、静态电流Iq

        运放在没有负载下的待机电流或者建立静态工作点时的电流,越小越好。

        在低功耗场合下,则要特别关注此指标。若没有特别要求则不做要求。

        如OPA369,1.1uA的Iq;TLV2401,0.95uA。

        一般低功耗运放的其他指标相应都会比较差。

OPA227

OPA188

OPA333

OPA211

五、输入失调电压Vos

        Vos(Input Offset Voltage)输入失调电压----由虚短可知,同向端和反向端电压相等,但是由于其同向端和反向端失配导致固有电压差的产生,就叫输入失调电压,一般Vos约为(1-10)mV,高质量运放Vos在1mv一下。

        Vos的计算公式为:Vos=(V+)-(V-)

        Vos和Ib一样,越小越好。

OPA227

OPA188

OPA333

OPA211

        OPA188>OPA277>OPA211

        如何消除输入失调电压Vos呢?在一些运放中,有多余的引脚,我们可通过滑动变阻器来调节电阻,使其Vos接近于零。(适用于单运放自带调零引脚,按照Datasheet给出的方法来调零)

        TI公司的调零引脚一般为1号和8号引脚。

        ADI公司:一般在1号引脚和5号引脚中加一个滑动变阻器用于调零。

        多通道运放由于其没有专门的调零引脚,可通过加法器来实现调零,具体实现可见《OP放大电路设计》P34-P35.

六、输入失调电压温漂dVos/dT

        该参数是指Vos在规定工作范围内的温度系数,是衡量运放温度影响的重要指标。

        这个参数可看可不看,还是根据具体的应用场景来看。
 

七、增益带宽积(GBW也叫GBP)

        当运放在小信号(Vpp峰峰值<1V的信号)环境下使用时,电压反馈型运放的带宽和增益乘积是一个定值,即等于增益带宽积。

        增益带宽积与压摆率(SR)是选择运放最重要的两个指标,这两个指标不分家。(排在这两个参数前面的是供电电压Vss,要先确定好供电电压参数)

        GBW大于等于(10-100)*Gain*f(Gain为放大系数,f单位为MHz带入)

假设:把一个频率为1MHz的信号放大六倍,应该选用GBW为多大的运放?

        GBW大于等于(10-100)*6*1MHz=60-600MHz

八、电压转换速率(Slew Rate,SR)简称压摆率

        其定义为在1us或者1ns等时间里将电压升高的幅度,直观上将就是将方波电压由波谷升到波峰所需要的时间,单位有V/s,V/ms,V/us和V/ns四种。

        具体计算公式:SR大于等于2*Π*f*Vom

   假设:一个电压最大值为1V,频率为1MHz的正弦波放大六倍,应该选用多大SR的运放?

        SR大于等于2*3.14*1*6=37.68

OPA227

 OPA228

OPA188

OPA 333

        如果选用的运放GBW和SR不够,则波形会失真,本应输出正弦波的,结果输出三角波

        解决方案:

        1、更换GBW和SR满足要求的运放

        2、采用多级放大

        3、采用电流反馈型运放,其具有更高的GBW和SR,但容易振荡,要严格按照Datasheet上面的要求来设计电路。

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