为什么运放差分放大电路中，输出信号电压幅值会略大于输入信号幅值*放大倍数？运放的选型参数有说法！

Posted 2021-12-15 Winter_world

【系列专栏】：博主结合工作实践输出的，解决实际问题的专栏，朋友们看过来！

《QT开发实战》

《嵌入式通用开发实战》

《嵌入式Linux开发实战》

目录

【问题】

【问题定位】

【问题根因】

【解决方法】

【运放的选型参数】

---

【问题】

使用运放设计的40倍差分放大电路，偏置电压1V，测试时发现输入0V时，5pcs有1pcs输出约1.17V，跟预期的不符，应该输出都是1V才对。

这里补充下差分放大电路相关的设计：

如上图，依旧遵循运放的虚短和虚断特性，当R56=R40，R47=R55时，差分计算可以简化为：

当需要加偏移电压时，就是下面的效果：在有ADC不支持负压时，加偏移电压很有用。

根据叠加原理：

【问题定位】

1）做交叉测试：即OK的外围电路上的运放A，和到确认有问题的外围电路上的运放B互换，交叉测试后故障跟随运放B走，这时可以确认是这个运放B的问题了。

2）再次更换全新的运放V替换运放B：做这一步是为了再确认下是不是焊接的时候，或其他操作导致运放故障了（虽然这种可能性很小，但是严谨一些吧），所以更换个全新的运放做下确认，结果出乎意料，问题又复现了，这时意识到问题应该没有这么简单，这是一个偏共性的问题。

3）查看运放的手册，确认这个运放的参数：

可以看到这个运放的输入失调电压有点太大了，最大值+-4.5mV，按我们电路设计的40倍放大，4.5mV*40=0.18V，0V输入时叠加1V的偏置就是1.18V，和实测的现象是吻合的。

【问题根因】

经过一系列的折腾，最后确认是运放选型没有做好，这个运放的输入失调电压太大了，而且确实影响到了设计应用，前端的差分信号最小就会到5mV，这样的失调电压会导致测出的信号不准确。

【解决方法】

重新进行运放选型，选一个输入失调电压小一点的运放MCP6V14，输入失调电压仅8uV，经实测输入0V，输出1V，基本没有影响。

【运放的选型参数】

正好把运放的选型参数整理了下，后面不能再犯这样低级的错误了，以下部分参考。

1、输入失调电压 VIO（input offset voltage）：

        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。一般Vos约为1~10mV，高质量的运放Vos在1mV以下。

2、输入失调电压温漂（Input Offset Drift with Temperature）：ΔVOS/ΔTA

        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、输入失调电流 IIO（input offset current）

        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。

4、输入失调电流温漂：

        在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。它是指II0 在规定工作范围内的温度系数，也是衡量运放受温度影响的重要指标，通常约为（1～50）nA/C，高质量的约为几个pA/C。

5、差模开环直流电压增益 (open loop voltage gain) ：

        差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时，运放输出电压与差模电压输入电压的比值。由于差模开环直流电压增益很大，大多数运放的差模开环直流电压增益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。一般运放的差模开环直流电压增益在 80~120dB之间。实际运放的差模开环电压增益是频率的函数，为了便于比较，一般采用差模开环直流电压增益。

6、共模抑制比 (common mode 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。目前电源电压抑制比只能做到80dB左右。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。

7、转换速率 (压摆率)(slew rate)SR：

        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。

8、电源抑制比：PSRR（power supply rejection ratio）

     PSRR是反映电源的供电电压的纹波对输出电压的影响的重要参数。PSRR值越高越好。

     计算公式为PSRR = 20log[(Ripple(in) / Ripple(out))]。例如：AD8541的的PSRR典型值75.假设供电电源纹波为20mV，那么反映到输出电压的纹波为3.6uV（自行计算）。

 

以上是运放的常见基本参数，下面对运放的一些其他参数和性能做解释。

→建立时间：

     建立时间定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1 倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0 增加到某一给定值的所需要的时间。由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建立时间。对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。建立时间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。

→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。这个参数在开环测试。

→单位增益带宽GB：

     单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1 倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降 3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。

 

作于202106081810，已归档

———————————————————————————————————

本文为博主原创文章，转载请注明出处！

若本文对您有帮助，轻抬您发财的小手，关注/评论/点赞/收藏，就是对我最大的支持！

祝君升职加薪，鹏程万里！