运算放大器分类及运算放大器参数说明

2023-11-05

运算放大器

我们在大部分情况下只了解运放简单的电路模型，而在很多场景中，并不是任何放大器都可以被直接拿过来应用，而是需要更加深入的了解运放的性能，那什么是性能呢，就是运放本身的参数，只有选择符合要求的运放，我们才能放大我们想要的信号，滤除我们不想要的噪声。

一、运算放大器

2.理想运放

理想运放电路中要求输入阻抗尽可能无穷大，输出阻抗尽可能无穷小。原因很简单：输入阻抗无穷大时输入回路几乎无电流，电源内阻就不会产生压降，电压通过输入阻抗全部传递到后端电路，电源电压损耗就会小很多。对下一级电力而言上一级的输出阻抗无穷小时才不会对负载上的电压产生影响(输出阻抗类似于电源内阻)，因为输出阻抗小分压就会很小，电压全部加载在负载上，因此负载电压就会很稳定。
当然现实中的运放都不是理想运放，当我们对运放有各种要求的时候就需要认真的读取规格书，了解相关的参数。

3.重要参数

<1>供电电压

所有运放都可以使用单电源供电或者双电源供电。有些运放供电电压可以达到很大到几百伏，有些运放供电才几伏。使用运放前一定要仔细阅读该运放的规格书。
注意：双电源供电的运放，正负电源尽量同时加入，否则容易损坏运放。并且不要带电接线、拔线和该线。
规格书中供电电压如下图：
尽可能的使用的电压不要和最大值相同，比如手册中的电压范围是±20V，我们可以接±18V的电源。
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注：供电电压可以看出器件是否适合在单电源低电压下使用，静态电流可以看出器件是否适合在低功耗应用中使用。

<2>输入偏置电流IB

理想运算放大器虚断，流入反向输入端与同向输入端的电流本应该为零。但是实际的运算放大器流入反向输入端与同相输入端的电流不为零，输入偏置电流IB(Input Bias Current) IB=[(Ib+)+(Ib-)]/2
IOS(Input Offset Current)定义为两个电流的差IOS=(Ib+)-(Ib-)
此参数越小越好。
注：低IB运放一般用于精密电流检测及其他需要低IB场合，比如检测1PA的电流，我们选择的运放的输入偏置电流就必须认真的考量。
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举例：我们在项目中通过雪崩光电二极管(APD)检测微弱的近红外光，这时就需要考虑近红外光的量级，如果量级在pA级，那我们截图中的运放就不能被拿来使用，就需要去选取一个fA级别的运放，或者更低级别的。

<3>噪声Vn

噪声是固有的，随机的，本身无法消除的。我们在选择运放时，噪声一定是越小越好的，在放大小信号的时候，选择的运放噪声一定要小，否则信号会被淹没在噪声中。
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<4>静态电流IQ

运放在没有负载情况下的待机电流或者建立静态工作点的电流，越小越好。要求低功耗的场合要特别关注此指标。如果对功耗没有要求可以不关注此指标。需要注意的是，一般低功耗运放，其他指标相应较差。
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<5>输入失调电压Vos

Vos输入失调电压-由虚断可知：同相端和反向端电压相等，但是由于同相端和反向端失配而产生了固有电压差，就叫输入失调电压Vos，一般Vos约为(1-10)mv，高质量运放Vos在1mv以下。
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消除输入失调电压的方法：单运放自带调零引脚，按照数据手册给出的方法就可以调零。多通道运放由于没有专门的调零引脚，可以通过加法器实现调零，具体实现方法参见《OP放大电路设计》P34-P35

<6>输入失调电压温漂

该参数是指在规定的工作范围内的温度系数。

<7>增益带宽积(GBW也叫GBP)

当运算放大器在小信号(Vpp在1V以下的信号)环境下应用时，电压反馈运算放大器的带宽和增益的乘积是一个定值，即等于增益带宽积。
注：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。
GBM≥(10-100)gainf
gain:为放大倍数，f单位为MHz带入
思考题：如果把一个频率为1MHz的信号放大6倍，应该选用GNW为多大的运放？
GBM≥(10-100)61=60-600MHz
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<8>电压转换速率(Slew Rate)简写为SR，简称压摆率

其定义是在1微秒或者1纳秒等时间里电压升高的幅度，直观上讲就是方波电压由波谷升到波峰所需时间，单位通常有V/s,V/ms,V/us和V/ns四种。
SR≥2ΠfVom
Vom为输出电压幅值，单位为V，f单位为MHz带入
思考题：如果想把一个电压最大值为1V，频率为1MHz的正弦波放大6倍，应该选用SR为多大的运放？
SR≥23.1416=37.68
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注意：如果选择的增益带宽积和压摆率不满足需求会怎么样？
如果选用的运放GBM和SR不够，输出波形会失真，本应输出正弦波，结果输出了三角波。
有的时候信号会被削顶，各种失真的情况都会发生。
解决方案如下：
(1).更换GBM和SR更高的运放
(2).采用多级放大，比如需要放大100倍，可以用两级放大，第一级放大10倍，第二级在放大10倍。
(3).采用电流反馈型运放(电阻要求很高，要求高精度的电阻)，电流反馈型运放拥有更高的GBM和SR，但是电流反馈型运放容易震荡，要严格按照DATASHEET上面的要求来设计电路。
我们常用的运放都是电压反馈型的运放

<9>输入电压范围(INPUT VOLTAGE RANGE)

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输入电压范围在将运放用于单电源供电时要特别注意。因为：
(1)单电源的VCC和GND之间的电压差较小，输入不是轨到轨的话将限制输入电压的范围。
(2)信源用GND作为参考，当输入小信号或者信号中直流分量小的时候，就相当于输入逼近GND电源轨，如果不满足输入调件将不能正常工作。
输入轨到轨的概念和输入电压范围密不可分，向我们上述截图中的运放就是负电源到轨，正电源不到轨。如小(2)中出现的情况，我们就需要把直流信号抬高，让交流信号不要逼近电源轨。

<10>输出电压范围(output swing)

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在单电源供电的场合更需要注意，因为单电源供电电压低，并且小信号输出时接近GND电源轨。在单电源供电中选择轨到轨更方便使用。
我们上述的运放，在无负载的情况下，可以看似轨到轨，但是在有负载的时候，就不是很近似轨到轨了。
注意：在最大输出幅度和供电电源轨间必须有一定的裕量或净空。保证输出不被削顶/底。对输入也是一样的。
根据运放输出结构不同，这个裕量从数mV到数V不等。如果输出不是轨道轨会使输出的范围减小。这样放大较大信号时就会削峰。
轨到轨受到输出电流的影响，如果负载过小，输出电流过大，则会使输出电压达不到电源轨。

对输入电压与输出电压的总结：
在最大输入幅度和供电电源轨间必须有一定的裕量或净空，保证输入不被削顶/底。
在最大输出幅度和供电电源轨间必须有一定的裕量或净空，保证输出不被削顶/底。
根据运放输出结构不同，这个裕量从数mV到V不等。
一个注意：
单电源供电，且输入信号很小时，会导致信号放大不正确，误差极大，微弱信号检测时最好的方法是双电源供电。

<11>短路电流Isc(current,output)

标明运放输出级输入或者灌入电流的能力
表征输出驱动力

输出驱动能力是表示运放的带负载能力，作为最后一级时常常要考虑其驱动能力。
我们上述这款运放这个参数能力就很一般。

<12>运放的输入阻抗(impedance,resistance)越大越好

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选择运放输入阻抗时要考虑到被放大对象(信源)的内阻。运放的输入阻抗要远远大于信源内阻。例如信源内阻为10KΩ，则需要选择100K以上的输入阻抗才能达到90%的精度，要达到99%的精度则要选择1M以上的输入阻抗。

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