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如何選用合適的運放?

admin @ 2014-03-19 , reply:0

概述

如何選用合適的運放?如何選用合適的運算放大器?  要選擇一個好的運算放大器,首先須了解設計對放大器的要求。知道在參數表中要查找什麼,了解運算放大器的製造工藝也有助於選擇適合設計要求……
如何選用合適的運放?

如何選用合適的運算放大器?

   要選擇一個好的運算放大器,首先須了解設計對放大器的要求。知道在參數表中要查找什麼,了解運算放大器的製造工藝也有助於選擇適合設計要求的最佳運算放大器。

    假設有一種完美的放大器,適用於任何電路設計。這種完美的運算放大器具有無限大的開環增益和帶寬,其偏置電壓、輸入偏置電流、輸入雜訊和電源電流都為零,它能夠在任意電源電壓下工作。既然它是真正完美的,那也應該是免費的。但這種完美的運算放大器實際上根本不存在,也不可能存在。於是銷售商就提供了各種各樣的運算放大器,每種都有各自不同的性能、特點和價格。了解放大器的最重要的參數,就能夠找到最合適的運算放大器。

偏置電壓和輸入偏置電流 

    在精密電路設計中,偏置電壓是一個關鍵因素。對於那些經常被忽視的參數,諸如隨溫度而變化的偏置電壓漂移和電壓雜訊等,也必須測定。精確的放大器要求偏置電壓的漂移小於200μV和輸入電壓雜訊低於6nV/√Hz。隨溫度變化的偏置電壓漂移要求小於1μV/℃ 。

    低偏置電壓的指標在高增益電路設計中很重要,因為偏置電壓經過放大可能引起大電壓輸出,並會佔據輸出擺幅的一大部分。溫度感應和張力測量電路便是利用精密放大器的應用實例。

    低輸入偏置電流有時是必需的。光接收機中的放大器就必須具有低偏置電壓和低輸入偏置電流。圖1所示為一種典型的結構。光電二極體的泄漏電流小於5nA,所以放大器必須具有更小的輸入偏置電流。CMOS和JFET輸入放大器是目前可用的具有最小輸入偏置電流的運算放大器。

    在所有放大器中,斬波放大器提供了最低的偏置電壓和最低的隨溫度變化的偏置電壓漂移。許多重量計量設備對增益的要求高,需要配置高質量的精密放大器,此時斬波放大器是一種很好的選擇。

注意電源的影響

    攜帶型系統中的放大器要求在很低的電源電壓下工作,且電源電流應很小以盡量延長電池壽命。這些放大器一般還須有良好的輸出驅動能力和高開環增益。

    儘管許多放大器的廣告號稱消耗很小的電流,但在選用時仍應小心。一定要認真閱讀參數表以留心低電壓下工作可能引起的性能問題。有些低功耗運算放大器,當輸出電壓改變時其電源電流具有較寬的變化範圍。在低電源電壓下,輸出電流驅動能力也可能顯著下降。可查閱參數表以確定在特定的電源電壓下所能達到的輸出電流驅動能力。

    另一種選擇是使用具有“關閉”特性的放大器。雖然這种放大器具有較高的電源電流,但當不工作時能被關閉從而進入超低電流狀態。較高的電源電流可使放大器具有較快的速度和很大的輸出驅動能力。

音頻和視頻應用中的雜訊/相位誤差

    在音頻應用中,運算放大器主要有兩個作用:麥克風放大、耳機或揚聲器輸出。這種音頻I/O組合在大多數蜂窩電話、計算機、電視和家庭立體聲設備中應用普遍。圖2示出了一種典型的PC音頻系統配置。

    對麥克風放大器的雜訊要求很高,這是因為放大器能提供20dB到40dB的增益,它既能放大麥克風的信號,也能放大任何來自運放的雜訊。耳機和揚聲器放大器必須能輸出大電流,因為大多數耳機的阻抗在100歐姆或更小,大多數揚聲器的阻抗是8 歐姆。

    近年來半導體技術的發展導致了快速放大器的出現。這些新的放大器使得設計者可以用高速運放代替分立電路。視頻應用電路即是一個很好的例子。

    許多視頻應用要求增益特性的相位誤差最小。相位誤差可導致色彩偏離和視覺失真。高速放大器在保持低相位誤差的同時,仍能獲得所要求的增益。大多數高速運算放大器的參數表都給出了相位誤差,應該把各種運算放大器的相位誤差做一個比較。

    電流反饋放大器是現有的速度最高的放大器之一。由於這种放大器與電壓反饋放大器的工作方式不同,務必閱讀參數表中的應用說明以獲得最佳效果。

注意避免一些常見的錯誤 

    運算放大器參數表包含許多信息,但有時可能很難通過比較兩個參數表來確定哪種運放性能更優。輸入共模電壓範圍指標即是一個例子。這個參數常被誤用。

    為確保正常工作,要注意共模抑制比(CMRR)的測試條件。給出的測試條件表示共模輸入電壓範圍。軌-軌輸入放大器的共模輸入電壓範圍是從負電源(V-)到正電源(V+)。

    與輸入電壓範圍不同,運算放大器的輸出電壓擺幅並沒有清晰的定義。大多數單電源放大器參數表都給出了針對高、低兩種輸出擺幅下的電壓指標。它表示當放大器吸入和泵出電流時,放大器的輸出擺幅接近正電源和地的能力。可惜的是,一般無法根據不同廠商的參數表對這些數值進行直接比較,因為不同的供應商會以不同的方式定義輸出負載。 關鍵要看負載是電阻還是電流源。如果負載是電流源,那麼可測量相似的負載電流,這樣就能很容易地比較不同放大器間的輸出電壓擺幅。若負載是電阻,則要判斷該電阻是與電源電壓VCC相連,還是與參考電壓Vcc/2相連,或是接地。 負載連接到Vcc/2將使放大器的輸出級可以泵出和吸入電流,但放大器的輸出電流相當於負載接地或接到正電源情況下的一半。這種輸出電流的差別可使得運算放大器的擺幅接近正負電源的值。這在某種程度上可能誤導,因為在大多數單電源直流應用電路設計中,負載都直接接地,放大器輸出的擺幅達不到正電源的值。

    電容驅動能力是一個在參數表中經常定義含糊的參數。所有的放大器對容性負載的靈敏度有不同程度的差別。一些低功耗放大器相對於僅僅幾百個皮法的容性負載就可能變得不穩定。因此,這些放大器的參數表可能會隱藏這個事實。

    要確定放大器對於輸出電容的靈敏度,可以通過相對於容性負載的過沖(overshoot)曲線圖來決定。另一個較好的示意圖是小信號響應圖,可用來觀測過沖的程度和特定容性負載的下降時間。某些參數表還提供了相對容性負載的增益-帶寬示意圖。

    減小過沖和阻尼振蕩的一個方法就是在輸出負載上並聯一個串聯R-C網路。可通過實驗來確定這個網路(也稱阻尼電路)的最佳值。也能在器件的應用說明中找到減小過沖和阻尼振蕩的其它方法。

    CMOS與雙極型工藝技術的比較十年來,放大器工藝技術已取得了很大發展。了解不同工藝方法的優點有助於運算放大器的選擇。CMOS和互補雙極型是兩種最為流行的放大器工藝技術。

    CMOS放大器工藝進展較快。幾年以前只有幾家公司能提供採用CMOS工藝的低成本、低性能放大器。今天,大多數廠商都能供應參數齊全、性能優良的CMOS放大器。但偏置電壓漂移和速度仍是兩個較薄弱的環節。對於所選器件,帶寬低於10MHz時,偏置電壓漂移應限制在略低於1mV。

    CMOS工藝的主要優勢在於價格,起初是想用於大批量生產的數字產品,這種工藝有助於降低中等性能的放大器價格。CMOS工藝提供的技術優勢是運算放大器的輸入偏置電流特別小,在皮安培(pA)級。這對於高電源阻抗的應用特別重要,例如光接收機中的光電二極體放大器,或耗電儘可能小的電池監測器。

    或許CMOS放大器的主要局限是其最大和最小電源電壓。由於其幾何形狀較小,晶體管擊穿電壓也減小了。大多數CMOS放大器必須在6V或更低的電壓下工作。對多數低功耗應用來說,這不成問題,但某些攜帶型應用卻是例外。一個例子就是電池監視,電池電源電壓變化很大,可以從滿充狀態的5V到接近耗盡時的2.2V。然而,若電池連接到充電器上,電源電壓有可能增加到12V。

    雙極型工藝通常允許較高的電源電壓。由於雙極型晶體管的寬動態範圍,其工作電壓容易做到比CMOS放大器更低。在低功耗、低漂移、雜訊和速度等方面,雙極型工藝都很出色,所以它不僅是一種大有發展前途的工藝,還是一種能滿足各種性能放大器要求的工藝。

    也有將兩種工藝結合到一起的工藝技術,如互補雙極互補CMOS(CBCMOS)。這種“混合” 工藝技術的構想是將每種技術的優點都集中到運算放大器上。例如,ADI的OP186就採用了一個雙極型輸入級來將雜訊和漂移減至最小,同時在輸出級採用CMOS晶體管來改善輸出驅動性能而無需增加器件尺寸。

    在低電壓下工作且具有良好性能的運算放大器,仍將主要採用雙極型工藝。在主要考慮成本因素的場合,可以採用CMOS工藝。在成本不變的情況下,性能將持續不斷地提高。隨著工藝技術的改進,CMOS的速度將逐漸提高,其精度也將通過工藝和電路技術的改進而提高。

SpICe輔助設計 

    選定所需要的運算放大器以後,最好能在計算機上利用Spice模擬器來模擬電路的設計。這樣可在電路製做出來之前驗證設計的正確性。多數廠商都提供其運放產品的Spice宏模型,可準確反映運算放大器的參數表中幾種指標的特性。這些模型也可從廠商的Web站點免費下載。當然,計算機模擬並不能保證電路設計的成功,但它能快速地反映出設計結果的性能優良程度。



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