运放的参数

Posted 2021-09-04 qlexcel

  内容摘抄自西安交通大学杨建国《你好，放大器》，经典，推荐一读！

  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

  因为供电电压限制了输入、输出信号的电压范围，因此选型时首先就要看这个参数。注意运放是否轨到轨，如果不是，需要注意下输出信号与供电电压的关系。

3、输入失调电压（Offset Voltage,VOS）

  定义：在运放开环使用时，加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为 0。也可定义为当运放接成跟随器且正输入端接地时，输出存在的非 0 电压。
  优劣范围：1µV 以下，属于极优秀的。100µV 以下的属于较好的。最大的有几十mV。
  理解：任何一个放大器，无论开环连接或者反馈连接，当两个输入端都接地时，理论上输出应该为 0，但运放内部两输入支路无法做到完全平衡，导致输出永远不会是 0。此时保持放大器负输入端不变，而在正输入端施加一个可调的直流电压，调节它直到输出直流电压变为 0V，此时正输入端施加的电压的负值即为输入失调电压，用 VOS表示。但是，多数情况下，输入失调电压不分正负，生产厂家会以绝对值表示。
  任何一个实际运放都可理解为正端内部串联了一个 VOS，然后进入一个理想运放，如图 2-1 所示。如左图，正端引入一个-VOS，则输出为 0，符合标准定义。如右图，跟随器正端接地，实际输出即为 VOS，也符合标准定义。

  后果：当一个放大器被设计成 AF倍闭环电压增益（同相输入放大增益，也称噪声增益）时，如果放大器的失调电压为 VOS，则放大电路 0 输入时，输出存在一个等于 AFVOS的直流电平，此输出被称为输出失调电压。闭环增益越大，则输出失调电压也越大。
  对策：如果被测信号包含直流量且你关心这个直流量，就必须选择 VOS远小于被测直流量的放大器，或者通过运放的调零措施消除这个影响。如果你仅关心被测信号中的交变成分，你可以在输入端和输出端增加交流耦合电路，将其消除。
  调零方法：有些运放有两个调零端，按照数据手册提供的方法接电位器调零即可。对没有调零端的运放，可采用外部的输出调零或者输入调零，有标准电路可以参考。

4、失调电压漂移（Offset Voltage Drift)

  定义：当温度变化、时间持续、供电电压等自变量变化时，输入失调电压会发生变化。输入失调电压随自变量变化的比值，称为失调电压漂移。
  因此，有三种漂移量存在：
  1）输入失调电压变化相对于温度变化的比值。是指定温度范围内的平均值，以 µV/°C为单位，用符号 ΔVOS/ΔT 或者 dVOS/dT 表示。
  2）相对于时间的比值，以 µV/MO 为单位，含义是每月变化多少微伏。没有明确的符号，通常用文字表示。本文暂用 dVOS/dMO 表示。
  3）相对于电源电压变化的比值，以 µV/V 为单位，含义是调好的放大器，当电源电压发生 1V 变化，会引起失调电压的变化。没有明确的符号，常用文字表示。此数值在很多放大器数据手册中没有体现。
  优劣范围：0.002µV/°C 到几十 µV/°C。

5、输入偏置电流（Input bias current，IB）

  定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的平均值。
  优劣范围：60fA~100µA。数量级相差巨大，这取决于运放输入端结构，FET 输入的会很小。
  理解：运放的两个输入端并不是绝对高阻的，本项指标主要描述输入端流进电流的数量级。比如某个运放在接成跟随器且正输入端接地情况下，正输入端存在流进电流1.3nA，即图 2-2 中 IB1=1.3nA，负输入端存在流进电流 0.6nA，即图 2-2 中 IB2=0.6nA，那么该运放的输入偏置电流 IB即为 0.95nA。 IB=(IB1+ IB2)/2=(1.3 + 0.6)/2= 0.95nA
  后果：第一，当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时，过大的输入偏置电流会分掉被测电流，使测量失准。第二，当放大器输入端通过一个电阻接地时，这个电流将在电阻上产生不期望的输入电压。
  对策：为避免输入偏置电流对放大电路的影响，最主要的措施是选择 IB较小的放大器。有很多 FET 输入运放可以实现这个要求。但是需要注意，高速运放且 IB较小的运放比较难选择，数量极少。ADI 公司的 ADA4817-1/-2，带宽 1050MHz，IB约为 2pA，单位增益稳定。

6、输入失调电流（Input offset current，ios）

  定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的差值。
  优劣范围：20fA~100µA。数量级相差巨大，这取决于运放输入端结构，FET 输入的会很小。
  理解：需要注意的是，这是数值的大小一般与该芯片的偏置电流相当。这很像一个班级的考试分数，平均大于 70 分，最大值与最小值差值大约也是 70 分（100 分-30 分） 。我们很少见到奇怪的现象：偏置电流是失调电流的 10 倍，说明其一致性太好了。
  后果：失调电流的存在，说明两个输入端客观存在的电流有差异，后面将要所述的，用外部电阻实现匹配抵消偏置电流影响的措施，在此就失效了。

7、共模抑制比（Common-mode rejection ratio，CMRR）

定义：差模电压增益与共模电压增益的比值，用 dB 表示。

优劣范围：一般运放都有 60dB 以上的 CMRR，高级的可达 140dB 以上。
理解：
运算放大器在单端输入使用时，不存在这个概念。只有把运放接成类似于减法器形式，使得运放电路具备两个可变的输入端时，此指标才会发挥作用。
图 2-19 电路中，差模增益，如果给电路的两个输入端施加相同的输入电压Uic，在输出端理论上应为 0 输出，实际会测量到由 Uic引起的输出 Uoc，则共模抑制比为：

生产厂家更习惯于下面的写法，其实都是一样的。

其实就是现将输出电压按照差模增益折算到入端，再让输入电压除以它——共模输入被抑制了多少倍。

影响电路共模抑制比的因素有两个，第一是运放本身的共模抑制比，第二是对称电路中各个电阻的一致性。其实更多情况下，实现这类电路的高共模抑制比，关键在于外部电阻的一致性。此时，分立元件实现的电路，很难达到较高的 CMRR，运放生产厂家提供的差动放大器就显现出了优势。

理解共模抑制比的作用：全差分放大器——共模的意义

8、开环电压增益（Open-loop gain，AVO）

  定义：运放本身具备的输出电压与两个输入端差压的比值，用 dB 表示。
  优劣范围：一般在 60dB~160dB 之间。越大的，说明其放大能力越强。
  理解：
  开环电压增益是指放大器在闭环工作时，实际输出除以运放正负输入端之间的压差，类似于运放开环工作——其实运放是不能开环工作的。
  AVO随频率升高而降低，通常从运放内部的第一个极点开始，其增益就以-20dB/10 倍频的速率开始下降，第二个极点开始加速下降。如图为 OP07 开环增益与信号频率之间的关系。
  一般情况下，说某个运放的开环电压增益达到 100dB，是指其低频最高增益。多数情况下，很少有人关心这个指标，而去关心它的下降规律，即后续讲述的单位增益带宽，或者增益带宽积。
  在特殊应用中，比如高精密测量、低失真度测量中需要注意此指标。在某个频率处实际的开环电压增益，将决定放大器的实际放大倍数与设计放大倍数的误差，也将决定放大器对自身失真的抑制，还将影响输出电阻等。

9、压摆率（Slew rate，SR）

  定义：闭环放大器输出电压变化的最快速率。用 V/μs 表示。
  优劣范围：从 2mV/μs 到 9000V/μs 不等。
  理解：此值显示运放正常工作时，输出端所能提供的最大变化速率，当输出信号欲实现比这个速率还快的变化时，运放就不能提供了，导致输出波形变形——原本是正弦波就变成了三角波。
  对一个正弦波来说，其最大变化速率发生在过零点处，且与输出信号幅度、频率有关。设输出正弦波幅度为 Am，频率为 fout，过零点变化速率为 DV，则

  要想输出完美的正弦波，则正弦波过零点变化速率必须小于运放的压摆率。即

  这个指标与后面讲述的满功率带宽有关。

10、带宽指标

与带宽相关的指标主要有四项：
单位增益带宽（Unity Gain-bandwidth，UGBW）—f1
定义：运放开环增益/频率图中，开环增益下降到 1 时的频率。
理解：当输入信号频率高于此值时，运放的开环增益会小于 1，即此时放大器不再具备放大能力。这是衡量运放带宽的一个主要指标。
增益带宽积（Gain Bandwidth Product，GBP 或者 GBW）—f2
定义：运放开环增益/频率图中，指定频率处，开环增益与该指定频率的乘积。
理解：如果运放开环增益始终满足-20dB/10 倍频，也就是频率提高 10 倍，开环增益变为 0.1 倍，那么它们的乘积将是一个常数，也就等于前述的“单位增益带宽” ，或者“1Hz处的增益” 。
在一个相对较窄的频率区域内，增益带宽积可以保持不变，基本满足-20dB/10 倍频的关系，我们暂称这个区域为增益线性变化区。
-3dB 带宽—f3
定义：运放闭环使用时，某个指定闭环增益（一般为 1 或者 2、10 等）下，增益变为低频增益的 0.707 倍时的频率。分为小信号（输出 200mV 以下）大信号（输出 2V）两种。
理解：它直接指出了使用该运放可以做到的-3dB 带宽。因为前述的两个指标，单位增益带宽和增益带宽积，其实都是对运放开环增益性能的一种描述，来自开环增益/频率图。
而这个指标是对运放接成某种增益的放大电路实施实测得到的。
满功率带宽(Full Power Bandwidth) —f0
定义：将运放接成指定增益闭环电路（一般为 1 倍） ，连接指定负载，输入加载正弦波，输出为指标规定的最大输出幅度，此状态下，不断增大输入信号频率，直到输出出现因压摆率限制产生的失真（变形）为止，此频率即为满功率带宽。
理解：比-3dB 带宽更为苛刻的一个限制频率。它指出在此频率之内，不但输出幅度不会降低，且能实现满幅度的大信号带载输出。满功率带宽与器件压摆率密切相关：

其中，Amax为运放能够输出的最大值（即满功率值） 。深入理解，请参考图 2-21B。
大小关系
注意，文中的 f0~ f3均为作者为描述简单而临时使用的。
一般情况下，f1<f2，且差不多，因此很少有数据手册同时给出这两个表格型指标。f3可能大些，也可能小些，取决于开环特性中的相频特性，但与前两者不会差很大。

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。

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/℃。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为运放输入噪声电压（有时也用噪声电流表示）。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。