本篇文章包含的内容

一、集成运算放大器供电
二、信号放大电路设计

本篇文章主要的写作目的是梳理集成运放的一些使用注意事项，以备设计相关电路时使用。博主目前对这一部分所知甚少，学艺不精，如果文章有谬误欢迎大家在评论区指出，大家一起讨论学习。

一、集成运算放大器供电

1.1 单/双电源供电

1.1.1 集成运放的供电准则

所有的运放都可以使用单电源供电或者双电源供电，没有例外。对于运放本身（从运放的内部结构考虑），它并不能分辨供电方式的区别。任何运放的两个电源端，只要存在一定的压差（压差要在一定限度内，否则运放会烧毁），运放都可以正常工作。并不存在单电源专用运放，或者双电源专用运放。有些运放的供电电压可以达到±600V，而有些运放的供电电压可能最高只能为±3V。使用运放前一定要仔细阅读运放的官方Datasheet，读懂运放生产商提供的Datasheet是用好运放的先决条件。

1.1.2 双电源供电

不难看出，相较于单电源供电，双电源供电方式会使电路更复杂，电路设计难度更高。但是双电源供电模式有其不可替代的优点。经典的运算放大器供电电路一般都采用正负电源对称的双电源供电方式，两个供电引脚分别标称为 $V_{CC}$ 和 $V_{CC}$ （或 $V_{EE}$ ）。与单电源供电相比较，双电源供电可以有效减少输出信号由于运放内部晶体管管压降而造成的误差。例如，在使用+5V单电源供电时，若想输出低电平，由于运放内部的晶体管造成的管压降，输出电压很难达到理想的0V，输出电压有可能会被抬高几百毫伏；但如果采用+5V和-0.3V的双电源供电方案，就可以有效解决这个问题。
如果要使用双电源供电，正负电源要保证同时加入，否则容易损坏运放，更不能带电接线、拔线、改线等。

1.1.3 单电源供电

在现在电池供电设备、便携产品越来越流行的今天，对于单电源供电运放的要求越来越多，在某些情况下只能采用单电源供电的方式。使用单电源供电时要注意以下两个问题：

输出小信号时误差较大。想要输出的小信号越小，误差相对就会越大，甚至会导致放大信号不正确。微弱信号检测时最好的方式是采用双电源供电。
能够处理的信号频率较低。单电源供电模式下，能够处理的频率一般不超过100kHz。

1.2 运放供电电路PCB设计

1.2.1 去耦电容

在电路版上，导线由于分布电容、分布电感和导线自身电阻的影响，在不同芯片之间会由于高频信号的干扰（高次谐波，外部的不可预测的干扰信号）在供电电路中产生相互影响，我们将这种相互的影响称为芯片之间的耦合。去耦电容就是为了消除芯片之间的耦合效应而存在的。

去耦电容和旁路电容
去耦电容和旁路电容在原理上是完全相同的，甚至在某些资料中，将去耦电容和旁路电容混为一谈。但是从电路设计的角度出发，二者还是存在一定的区别。在大厂的资料手册中还是将二者加以区分。

在PCB布局中添加去耦电容时，需要注意以下几点：

去耦电容应该尽量靠近芯片的电源引脚。如果使用了多个去耦电容器，应该将较小的去耦电容（旁路电容）放在离电源引脚最近的位置，将较大的去耦电容（库电容）放在远离电源引脚的位置。
不要将过孔（Via）置于去耦电容和电源引脚之间。过孔本身拥有一些寄生参数，会影响去耦电容的滤波效果。
对于双电源供电模式，在V+和V-之间接一个滤波电容，可以减少电路中的偶数次高次谐波。
电容器的电容值应该根据处理信号的频率按以下的标准确定（下列值是根据经验得出的）。

处理信号频率范围	选择电容的容值
DC ~ 100MHz	0.1 $\mu F$ （100 $n F$ ）
100MHz ~ 200MHz	0.01 $\mu F$ （10 $n F$ ）
200MHz ~ 1GHz	1000 $pF$
＞1GHz	100 $pF$

宽带宽的放大器中应选择多个电容器并联。需要注意：陶瓷电容的电容值会因两端所加的直流电压的增大而产生较大变化，这时有必要确认在该直流电压下电容是否还能起到滤波作用。

1.2.2 布线与布局

在PCB设计中，还需要遵守以下的一些惯例（这里的一些惯例只是博主整理出的关于运放电路的一小部分，较为杂乱，有些惯例和准则对于所有的PCB设计都是通用的。这些对于PCB的布线和布局而言只是冰山一角，后续博主学习到会继续补充）：

应该尽可能缩短反相输入端引脚与其他器件的连接距离。（在运放中通常在反相输入端输入信号，这里应该是防止长导线的寄生参数对输入信号的影响）
应尽可能拓宽走线宽度。
禁止直角走线或锐角走线。
应该灌流至少一个坚实的接地层。
不要为了方便用丝印来标识器件而舍弃良好的布局。

二、信号放大电路设计

2.1 输入电阻与输入信号的匹配方法

请添加图片描述

从信号源获取更多电压：尽可能增大输入电阻
从信号源获取更多功率：使 $R_s = R_i$ 即可

2.2 不同运放放大电路的优缺点

对于反相比例和同相比例，我们在选择时主要关心以下几点：

需要的输入和输出的极性关系。
输入阻抗不同。
放大倍数（反相比例放大电路的放大倍数可以小于1，同相比例放大电路的放大倍数只能大于1）。

2.2.1 反相比例运算电路

在这里插入图片描述

以电压并联负反馈电路为例，根据运放的虚短和虚短特性可得：
$u_O=-\frac {R_F} {R_1}u_I$
同相输入端的平衡电阻 $R'=R1// R_F$ ，该电路使用时的缺点是：输入电阻等于 $R_1$ ，在需要输入电阻很大的场合下， $R_1$ 的取值很大会增大电路的噪声（可以通过多个电阻并联抑制噪声）。

添加平衡电阻的目的是使集成运放两输入端对地的电阻相等，所以偏置电流不会产生额外的失调电压。但是平衡电阻的添加并不是必要的。如果不加平衡电阻，电路造成的误差为 $i_BR'$ （ $i_B$ 是集成运放的偏置电流）。有些运放的 $i_B$ 很小，不加平衡电阻造成的误差也非常小。例如OPA277的 $i_B$ 为0.5nA，若取平衡电阻 $R^{'} = 10 k Ω$ ，误差为5uV，完全可以忽略不计。相对而言，如果平衡电阻的取值过大，反而会因为电阻自身的性质给电路带来噪声，这时完全可以大胆去掉平衡电阻，将同相输入端直接接地；也可以设计中保留，在焊接时用一个0Ω的电阻代替。

反相比例放大电路在应用时具有以下特性（7~8条博主也不理解，总之先记录在此，日后学习到相关的应用场景时可以单独作补充）：

可以获得和输入电压相反的输出。如果想要获得相同的输出，除了采用同相比例放大电路以外，可以采用两级反相比例放大，将电压再次反相以得到同相输出。
可以使输入阻抗调整在一个较小的定值。如果需要在信号源获取更多的功率，采用反相比例放大可以使电路的输入电阻与信号源的内阻相匹配。
因为电路的负反馈组态为并联负反馈，所以可以作为电流输入型电路使用。
虚短和虚短仅在电路进入深度负反馈时产生。
电路的放大倍数 $\dot{A_f}$ 可以小于1。
同相输入端除了接地之外，还可以添加一个偏置电压 $V_{REF}$ ，构成加减运算电路。当然也可以作其他用途（RC、LC震荡），应用比较灵活。在严格意义上说，这时的电路已经不再是反相比例运算电路了。
可以增大转换速率。
如果信号源阻抗较低，容易获得较好的信噪比。

在绝大多数情况下，我们都采用反相比例放大电路来放大信号。相较于同相比例放大电路，反相比例放大电路的最大优点是输入端“虚地”，可以 极大地抑制共模干扰。

2.2.2 同相比例运算电路

在这里插入图片描述
根据虚短和虚短分析，可得：
$u_O=(1+\frac {R_F} {R})u_I$
同相比例放大电路在应用时具有以下特性（第4条博主也不理解，日后学习到再单独作补充）：

可以直接获得与输入电压相同极性的输出。
可以获得极高的输入阻抗。理想的同相比例放大电路的输入电阻 $R_i=\infty$ ，常常作为电压跟随器使用，对信号进行隔离。
反相端可以作更多扩展以实现不同的电路功能。
可用于自举电路。

2.2.3 同相比例放大和反相比例放大的比较和选择

同相比例放大电路和反相比例放大电路的最大区别在于 二者对共模信号的抗干扰能力不同 和 输入电阻不同。同相比例放大电路的最大优点就是输入阻抗接近无穷大，反相比例最大的优点是两个输入端的电位都是0，只放大差模信号，对共模信号的抗干扰能力强。
对于功放而言，共模干扰信号主要来自于电源电压的波动。这些共模干扰信号对于信号的放大倍数和保真性有时会产生致命性的影响。反相比例放大电路实际上放大了对地的差分信号（输入电压和地之间的电位差），且电源对反相比例放大电路的两个输入端的点位几乎不会产生影响（由于“虚地”）；而同相比例放大电路两输入端在静态时就相当于“浮空”状态，故更容易受到共模信号的干扰。
如果在实际工程应用条件下，不得不采用同相比例放大电路对信号进行放大，也应该尽量采用共模抑制比高的运放来抑制共模信号的干扰。但即使这样做，一般而言，采用这种方案的效果依然劣于采用反相比例放大电路。故在实际使用时，都会尽量采用反相比例放大电路来放大信号。 同理，在加法运算电路中，我们也应该尽量将输入信号输入到反相输入端对信号进行放大。
在这里插入图片描述