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运放的参数和选择

2018-9-29 15:26:19 2511 运放矩形波

0 最近在使用一款PGA，在PGA输入端接地时发现输出总有个矩形波信号，放大1000倍后非常明显，怀疑是电源引起的干扰。开始的时候在输入正负电源处都加了100uf和0.1的电容，但效果不明显，后来准备再电源输入端再串联一个电阻，一开始电阻选择的是1k，但上电后发现芯片根本都无法工作，测量芯片两端的电源电压发现才一点多v。这时候就看了下数据手册的静态电流，发现竟然是5mA，然后这个PGA是5v供电的，如果PGA正常工作，1k电阻上的分压都能到5v。所以后来用了个50欧的电阻配合着100uf和0.1uf构成了个低通滤波，这样一来芯片工作正常了，然后输出的波纹也小了很多。在选择运放时应该知道自己的设计需求是什么，从而在运放参数表中来查找。一般来说在设计中需要考虑的问题包括1. 运放供电电压大小和方式选择；2.运放封装选择；3.运放反馈方式，即是VFA (电压反馈运放)还是CFA(电流反馈运放)；4.运放带宽；5.偏置电压和偏置t电流选择；6温漂；7.压摆率；8.运放输入阻抗选择；9.运放输出驱动能力大小选择；10.运放静态功耗，即ICC电流大小选择；11.运放噪声选择；12.运放驱动负载稳定时间等等。偏置电压和输入偏置电流在精密电路设计中，偏置电压是一个关键因素。对于那些经常被忽视的参数，诸如随温度而变化的偏置电压漂移和电压噪声等，也必须测定。精确的放大器要求偏置电压的漂移小于200μV和输入电压噪声低于６nV/√Hz。随温度变化的偏置电压漂移要求小于1μV/℃ 。低偏置电压的指标在高增益电路设计中很重要，因为偏置电压经过放大可能引起大电压输出，并会占据输出摆幅的一大部分。温度感应和张力测量电路便是利用精密放大器的应用实例。低输入偏置电流有时是必需的。光接收系统中的放大器就必须具有低偏置电压和低输入偏置电流。比如光电二极管的暗电流电流为pA量级，所以放大器必须具有更小的输入偏置电流。CMOS和JFET输入放大器是目前可用的具有最小输入偏置电流的运算放大器。因为我现在用的是光电池做采集的系统，所以在使用中重点关心了偏置电压和电流。如果还有其他的需要，这时应该对其他参数也需要多考虑了。 1、输入失调电压VIO（Input Offset Voltage）输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。 2、输入失调电压的温漂αVIO（Input Offset Voltage Drift）输入失调电压的温度漂移（又叫温度系数）定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。 3、输入偏置电流IB（Input Bias Current）在使用运放中可能还会遇到一个输入偏置电流IB，输入偏置电流是指第一级放大器输入晶体管的基极直流电流。这个电流保证放大器工作在线性范围，为放大器提供直流工作点。输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。对于双极性运放，该值离散性很大，但几乎不受温度影响；而对于MOS型运放，该值是栅极漏电流，值很小，但受温度影响较大。 4、输入失调电流（Input Offset Current）输入失调电流 offset current，是指两个差分输入端偏置电流的误差。输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如10k或更大时），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。 5、输入阻抗（1）差模输入阻抗差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。（2）共模输入阻抗共模输入阻抗定义为，运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻。 6、电压增益（1）开环电压增益（Open-Loop Gain）在不具负反馈情况下(开环路状况下)，运算放大器的放大倍数称为开环增益，记作AVOL，有的datasheet上写成：Large Signal Voltage Gain。AVOL的理想值为无限大，一般约为数千倍至数万倍，其表示法有使用dB及V/mV等。（2）闭环电压增益（Closed-Loop Gain）顾名思义，就是在有反馈的情况下，运算放大器的放大倍数。 7、输出电压摆幅（Output Voltage Swing）当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前电源电压供电时，运放能够输出的最大电压幅度。 8、输入电压范围（1）差模输入电压范围最大差模输入电压定义为，运放两输入端允许加的最大输入电压差。当运放两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入电压时，可能造成运放输入级损坏。（2）共模输入电压范围（Common Mode Input Voltage Range）最大共模输入电压定义为，当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB 是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。 9、共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制共模干扰信号。由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。 10、电源电压抑制比（Supply Voltage Rejection Ratio）电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放输入失调电压随电源电压的变化比值。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时，运放的电源需要作认真细致的处理。当然，共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压抑制比，另外在使用双电源供电时，正负电源的电源电压抑制比可能不相同。 11、静态功耗运放在给定电源电压下的静态功率，通常是无负载状态下。这里就会有个静态电流 IQ的概念，静态电流其实就是指运放在空载工作时自身消耗的电流。这是运放消耗电流的最小值（排除休眠状态） 12、摆率（Slew Rate）运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，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。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率SR<=10V/μs，高速运放的转换速率 SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率SR达到 6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。 13、增益带宽（1）增益带宽积（Gain Bandwidth Product）增益带宽积，GBP，带宽与增益的积。（2）单位增益带宽运算放大器放大倍数为1时的带宽。单位增益带宽和带宽增益积这两个概念有些相似，但不同。这里需要说明的是对电压反馈型运放来说，增益带宽积是一个常数，而对于电流型运放来说却不是这样的，因为对于电流型运放而言，带宽和增益不是一个线性的关系。 14、输出阻抗输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。这个参数在开环的状态下测试。 15、等效输入噪声电压（Equivalent Input Noise Voltage）等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。 4
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