十問十答帶你實戰運算放大器設計

　　本文主要講了一下關於運算放大器設計的一些知識，希望對你的學習有所幫助。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201701/343105.htm

　　Q1：OPA內部是怎樣構成的?

　　「就是一堆電晶體」

　　  

 

　　- 包含輸入級，中間放大級和輸出級。基於應用的話，不用特別關注內部的結構。

　　- 同相端和反相端輸入地方有等效二極體，就是所謂的ESD保護。一般運放內部都會做。輸出端也有。但是因為做在晶片內部，所以能力有限，即最大通過瞬間電流有限。

　　提示：晶片級的ESD等級和產品級的ESD等級完全是兩碼事，遵循的不是一個規範。

　　晶片規格書上，ESD指標雖然寫著2kV ，應用到實際產品上，如果打2kV靜電上去，是無法承受的。產品ESD遵循的是IEC61340的標準。所以，設計過程中，想要通過選擇自身ESD高的晶片去防止浪湧，是不可取的。

　　所以一般晶片，用靜電槍直接打管腳，能承受400v靜電的已經算頂尖晶片了。有的晶片會直接標機器模式，通常就是400v和200v這樣的值了。

　　Q2:OPA常用封裝有哪些?

　　常見1/2/4路，常用封裝基本都兼容。

　　小提示：設計時候儘量選通用封裝，否則很容易是Single Source(獨一物料，市面上沒有兼容的)，結果就是被供應商綁架。

　　日系的很多封裝尺寸很怪異。跟歐美系的很多封裝不一樣。所以選日系晶片的時候，留個心眼，一不小心，就是single source了。

　　Q3：OPA都有哪些作用?

　　放大小信號(或縮小大信號)

　　阻抗匹配

　　信號隔離：例如跟隨放大器

　　濾波(低通，高通，帶通濾波等)：一階濾波用的比較多，提示，網上小工具可以用來計算參數。

　　驅動：可以驅動音響，驅動視頻設備伽馬線，這些應用都要求瞬間輸出電流很大。

　　-運放驅動長線：線約長，分布電容越大，運放驅動容性負載，會產生震蕩

　　做小功率電源

　　-一般運放輸出20-30mA，跟I/O口差不多。

　　-有些特殊運放能夠輸出1-2A比較大電流的，可以當做小功率電源用，很乾淨。但是不能做基準源，因為精度不夠。

　　Q4：OPA怎樣供電?

　　- 引用業內資深專家：如果一個運放都不捨得用LDO供電，還指望談穩定性?

　　- DCDC都不可以，最好儘量是LDO，最次也得7805。

　　Q5：OPA都有哪些類型?

　　超低功耗運放(Nano Power OPA)：幾百nA

　　低功耗運放(Micro Power OPA)：

　　高速運放(High Speed OPA)：重點兩個參數：增益帶寬積(GBP)和壓擺率(SR)

　　高精度運放(High Precision OPA)：重點兩個參數：Vos失調電壓(低於採樣電壓的一半)，溫漂

　　低噪聲運放(Low Noise OPA)：常用於腦電波，心率，脈搏等小信號採集

　　差分放大器(Fully Differential OPA)：輸入共模抑制比足夠大(有人拿高精度運放當做差分放大器，為了節省成本，但是效果不行。)

　　功率放大器(Power OPA)：功放驅動

　　音頻放大器(Audio OPA)：

　　儀表放大器(Instrumentation OPA)：共模抑制比很高。配合專門電路，能夠有效去除共模幹擾。

　　其他專用型放大器

　　Q6：OPA常用的參數有哪些?

　　輸入失調電壓(Input Offset Voltage) Vos

　　輸入失調電壓的溫漂(Offset Voltage Drift)：對Vos的補充

　　輸入偏執電流(Input Bias Current)IB：

　　輸入失調電流(Input Offset Current)Ios：是IB的補充

　　共模電壓輸入範圍(Input Common-Mode Voltage Range)Vcm：運放在某個供電下，同相端和反相端給到的最大信號範圍。

　　輸出特性(Output Characteristic)

　　輸出電流限制(Output Current Limit)：關注這個參數，主要因為，有些應用要求輸出電流儘量大，比如輸出線很長(跳線連接兩個系統)或者 負載輸入阻抗很小。

　　小提示：如果用長線連結兩個系統，輸出要串個電阻：1)來限流。2)防止熱插拔瞬間的浪湧。

　　ESD和浪湧的區別。

　　1) 浪湧持續的是毫秒級，ESD靜電只持續微秒或者納秒級別。

　　2) 浪湧一般示波器可以抓下來。ESD靜電一般示波器是看不到的。

　　工作電壓範圍 VDD

　　靜態工作電流(Quiescent Current)Iq

　　增益帶寬積(Gain Bandwidth Product)GBP：對交流信號非常重要 ，直流信號可以不用關注太多。

　　壓擺率(Slew Rate)SR：GBP大，意味著SR大;SR值用來反映跳變沿快慢的。

　　開環增益(Open-Loop Voltage Gain)Aol：常見120db;這個值越大，留給設計放大倍數的餘量越大。也是交流特性，跟頻率密切相關。

　　電壓噪聲密度(Voltage Noise Density)en：

　　相位裕度(Phase Margin)：越大越好，越穩定

　　共模信號抑制比(Common Mode Rejection)：反映了對共模幹擾信號的抑制能力，值越大越好。

　　電源紋波抑制比(Supply Voltage Rejection)：反映了對供電端噪聲的抑制能力，值越大越好。

　　Q7：三極體放大能代替運放放大嗎?

　　Yes：運放內部本身就是一堆電晶體的集成，音樂發燒友所推崇的所謂「膽機」，很多就是用分立的電晶體、電子管所設計。

　　No：但是三極體參數一致性差，放大電路批量生產良率低，需要微調參數，生產工藝麻煩。

　　Q8：什麼是軌至軌運放?

　　軌(Rail)指的是供電電壓

　　共模輸入電壓(Common Mode Input Voltage)範圍「包含(超過一點)」供電電壓，即所謂軌至軌輸入。

　　輸出電壓範圍「包含(幾乎達到)」供電電壓，即所謂軌至軌輸出。

　　Q9：運放可以用作比較器麼?

　　Yes：

　　大部分運放是可以再開環下工作的

　　No：

　　-有一些運放的同相輸入與反相輸入之間有嵌位二極體(差分二極體保護)，用作比較器時(壓差超過0.7v)會導致其中一個嵌位二極體導通，(如果源輸入阻抗很低，可以供的電流很大)從而有大電流流過，甚至燒壞晶片。

　　(看差模輸入電壓範圍，這個參數大，說明沒有嵌位二極體。可以用。)

　　-反應速度慢，即使高速運放，也不夠快。

　　-穩定性不佳，過載飽和時恢復時間長。

　　  

 

　　- 輸出無法真正到軌

　　輸入級由於補償電路作用，可以超過供電軌，但是輸出級由於電晶體的導通內阻，無法真正到軌，會有幾mV~幾十mV的差距。

　　- 輸出誤差和帶負載阻抗相關:負載大,輸出小，負載很重，輸出到電源軌的差距就很大

　　Q10：怎樣選擇合適的運放?

　　直流信號：

　　- 確定信號具體特性：信號範圍，精度。確定好這些參數，甚至就可以直接聯繫FAE來幫助選型。

　　- 輸入失調電壓(Vos)：根據信號最小值，來決定，通常取最小信號值的二分之一以內。例如，最小信號值是1mV，那就需要儘量選擇Vos在0.5mV以內的。所有的運放都會給出該參數。著重看最大值，而不是典型值。

　　- 溫漂：看產品輸出地點，環境溫度可能不同。

　　- 輸入失調電流：如果傳感器帶載能力很差，即輸出阻抗很高，輸出電流小。對運放的輸出失調電流就有要求了，要求輸入運放的電流小，這樣對原信號的分壓就小。

　　- 耗電要求

　　- 工作電壓範圍

　　- 輸入輸出特性： 是否軌對軌的?還是非軌對軌。

　　交流信號

　　-交流信號的具體特性

　　-增益帶寬：待處理信號頻率X放大倍數 X係數(一般取5-10)<=運放帶寬

　　-開關增益

　　-電壓噪聲密度

　　-耗電要求

　　-工作電壓

　　-輸入輸出特性