運放號稱三多:引數多,型號多,廠家多。
當你針對乙個具體功能去設計放大器、濾波器或者比較器的時候,不知道該選擇什麼樣的運放。你去問主管或者師兄,他們往往告訴你說「哎,之前我們一直都用的xx公司的xx型號,你也用這個就足夠了,不用再去選擇了。」
如果你問他為什麼,答曰「之前也是這麼設計的,你就用就行了」,或者就是「這個要綜合考慮各項指標,比如失調電壓,失調電流,放大倍數,轉換速率,巴拉巴拉。去把這本書學一下就知道了。」為了趕工程,你只能帶著滿腦子疑問回到座位,呼叫原有的封裝庫進行電路設計。
首先我們先回顧一下運放包含的重點引數,通過這些引數幫助我們更好的認識運放,將乙個完整的運放拆解成引數的表現形式;
然後在實際應用下按照「四步走戰略」去判斷你的運放功能需求,採用先定性後量化的方式分析,根據量化的需求對應重點引數型別進行判斷;
最後根據廠商列出的運放特點,選擇「心儀」的運放的型別;
這裡並不全部列出所有的運放內部引數,主要是幫助大家回顧最為常用的七個引數,也是後面要用來進行運放選型的內容(不求記住如何計算,大致上理解引數概念就可以):失調電壓、失調電流、偏置電流、增益頻寬積、共模抑制比、失調電壓溫漂、轉換速度
這些引數都會寫在資料手冊規格頁,有些重點標明的引數還會寫在資料手冊首頁:
圖0:引數
1、失調電壓vos
定義:將運放輸入端接地,理想運放輸出為零,但實際的運放輸出不為零。將實際運放的輸出電壓除以增益所得到的等效輸入電壓稱為失調電壓。
影響因素:溫度(對應失調電壓溫漂)、電源波動(對應電源抑制比)
影響結果:運算放大器輸出結果同理論值存在偏差,並且由於受溫度和電源波動的影響,此誤差並不是固定值。注意:vos為直流偏置,直接疊加在輸出上,因此如果是交流訊號不必過多擔心該值,但是需要考慮是否疊加後超過供電電壓導致訊號失真。
當圖4中輸出受到vos影響時:vout=(1+r2/r1)×(vos+vin)
圖1:反向放大電路
2、偏置電流ib
定義:當運放輸出直流電壓為零時,運放兩個輸入端流進或者流出直流電流的平均值
圖2偏置電流和失調電流示意圖
影響因素:製造工藝,雙極型工藝(即上述的標準矽工藝)的輸入偏置電流在±10na~1μa
之間;場效電晶體做輸入級,輸入偏置電流一般低於1na。
影響結果:運算放大器輸出結果同理論值存在偏差,參照圖1,受偏置電流ib影響得到的偏置電壓為:vb=r1*r2/(r1+r2)*ib
對應得到的輸出為:vout=r1*r2/(r1+r2)*ib+vin。
可以通過在同相端增加匹配電阻:r3= r1*r2/(r1+r2),實現誤差消除。
3、失調電流ios
定義:當運放輸出直流電壓為零時,運放兩個輸入端流進或者流出直流電流的差值
影響因素:製造工藝,很難保證兩個輸入埠的偏置電流相等
影響結果:同樣在運放輸出訊號引入誤差,如圖一中計算受到失調電流影響的輸出結果為
vout=(1+r2/r1)×(ios*r2+vin)
4、增益頻寬積gbp(gain band with product)
定義:在某頻率下測量的開環電壓增益與測量頻率的乘積,gbp=fh*am如圖所示,其中頻率為fh運放增益衰減為-3db時頻寬,ft時為單位增益頻寬。
影響因素:運放內容結電容的頻率響應特性導致的。
影響結果:該引數表明在設計過程中必須考慮放大增益倍數同訊號頻率之間的關係,高頻訊號增益大小受限,必須選用gbp引數較大的運放
5、共模抑制比cmrr(common mode rejection ratio)
定義:放大器對差模訊號的電壓放大倍數aud與對共模訊號的電壓放大倍數auc之比,cmrr=aud/auc或者表示為cmr=20lg│aud/auc│(db)。
影響因素:電路對稱性(失調電流等引數)、線性工作範圍
影響結果:這一引數是為了說明差分放大電路抑制共模訊號及放大差模訊號的能力,抑制共模輸入的干擾訊號提高訊雜比。
6、失調電壓溫漂αvos
定義:晶元承受溫度範圍內,輸入失調電壓的變化與溫度變化的比值
影響因素:溫度
影響結果:失調電壓發生變化,導致運放輸出受到干擾,如果是直流訊號後面跟a/d,直接影響最後檢測結果。
7、轉換速度sr(slew rate)
定義:也稱為壓擺率,將乙個大訊號(包括階躍訊號)輸入至運放輸入端,運算放大器輸出電壓的上公升速率,單位有通常有v/s,v/ms和v/μs。壓擺率的數學定義:sr=2×pi×f×vpk
式中:f為最大頻率,一般認為是頻寬;vpk是放大輸出訊號的最大峰峰值。
影響結果:評價運放對訊號變化速度的適應能力,是衡量運放在大幅度訊號作用時工作速度的引數。當輸入訊號變化斜率的絕對值小於sr時,輸出電壓才按線性規律變化。
看完常見的運放引數,大家其實心裡面已經有乙個初步的概念了,也大致知道如何確定乙個運放的特性,那麼下面幫大家對運放的要求進行歸類,同時對照上面引數,幫助大家更好的去建立乙個整體思維,按照順序思考歸類,更加方便記憶哦:
1、輸入訊號型別
問己:交流還是直流?差分還是單端?低頻還是高頻?
判斷:直流注意失調電流、失調電壓引數;差分輸入判斷是否選擇儀表放大器;高頻交流注意增益頻寬積gbd和轉換速度sr;
2、精度要求
算參:根據精度要求,重點計算失調電壓、偏置電流、失調電流以及共模抑制比對精度影響,判斷是否選用高阻運放或者是精密運放。
3、環境條件
問己:溫度極端否?溫度變化劇烈否?電源波動嚴重否(用了dcdc或者模數分割沒做好,這些坑我都踩過)?
算參:看看運放溫度量程;注意溫漂引數影響;注意電源紋波抑制比psrr引數(沒列出來,可望文生義);
4、其他要求
1)通道數:如果是多級在確定其他指標前提下選用多通道運放;
2)單/雙電源:選軌對軌訊號失真小,可滿幅值輸出;
3)功率大小:高壓或大電流選用專用功率運放;
下面又要加餐了,我在此按照廠商的排列方式列出了五種不同型別的運算放大器,並且把他們各自的特點明明白白的寫出來啦,大家對照自己在第二章提出的要求按圖索驥吧。
1、通用運放
高價效比:要求均不高的電路,或者僅對功耗、頻寬等單一條件有要求。
2、精密運放
基操:低失調電壓,小於1mv。
其他:低溫漂;低雜訊;低功耗;寬頻寬。
3、高速運放
其他:低功耗、低雜訊snr。
可選:高輸入阻抗需求和全差分。
4、音訊運放
基操:總諧波失真加雜訊(thd+n,感興趣童鞋可以自行了解);超低雜訊(高保真);低功耗(高續航);小封裝(畢竟耳機用)
其他:汽車電子;通道數等等,**較高
5、功率運放(看負載)
基操:高電壓;高電流;小封裝
可選:通道數;頻寬
圖3:運放選型速記思維導圖
運放選型策略
1.1輸入偏置電流與輸入失調電流 定義運算放大器兩輸入端流進或流出直流電流的平均值為輸入偏置電流ib。由輸入級的輸入電阻不足造成 input bias current 輸入失調電流是運算放大器兩輸入端輸入偏置電流之差的絕對值 input offest current 由輸入級不對稱造成。這兩個引數對...
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