解讀運(yùn)放芯片的關(guān)鍵參數(shù)

前段時(shí)間總結(jié)了一些運(yùn)放電路的分析方法，但似乎搞錯(cuò)了方向，相關(guān)參數(shù)似乎還沒(méi)搞清楚。以至于在述職會(huì)上領(lǐng)導(dǎo)問(wèn)起在選取運(yùn)放芯片的時(shí)候要注意哪些參數(shù)的時(shí)候，回答得很尷尬，所以這回就來(lái)補(bǔ)充一下這些參數(shù)的學(xué)習(xí)總結(jié)吧。先分享一個(gè)可以查找元器件規(guī)格的網(wǎng)站吧，個(gè)人感覺(jué)是很好用。

在選取運(yùn)放芯片的時(shí)候，我們當(dāng)然要根據(jù)實(shí)際的電路需求來(lái)看相應(yīng)的參數(shù)，雖然規(guī)格書(shū)里參數(shù)很多，但是通常會(huì)有如下這樣一個(gè)選取方向;

來(lái)解讀一下運(yùn)放芯片規(guī)格書(shū)中的一些關(guān)鍵參數(shù)

壓擺率SR: Slew rate

在講這個(gè)參數(shù)之前先看一個(gè)很厲害的變換-傅里葉變換

拋開(kāi)許多復(fù)雜的概念，傅里葉變換變換的核心就是能將滿(mǎn)足一定條件的某個(gè)信號(hào)函數(shù)表示成三角函數(shù)或者是它們的積分的線(xiàn)性組合，也就是幾乎所有的連續(xù)函數(shù)都可以表示為若干不同周期，不同振幅的正弦函數(shù)之和。

聯(lián)系到運(yùn)放的壓擺率，在我們的電路中由于寄生電感的存在幾乎都是連續(xù)信號(hào)，所以所有的電信號(hào)都會(huì)變化率這種概念，壓擺率表示的就是運(yùn)放輸入一個(gè)階躍信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)的最大變化速度;體現(xiàn)的是輸出信號(hào)能否跟得上輸入信號(hào)的變化，如1us內(nèi)輸出信號(hào)電壓幅值的變化。它的表達(dá)式為SR=2π*F*Vp(F：輸出信號(hào)的頻率，Vp為輸出信號(hào)的峰值)

這是衡量運(yùn)放在大幅度信號(hào)作用時(shí)工作速度的參數(shù)，當(dāng)輸入信號(hào)變化斜率的絕對(duì)值小于SR時(shí)，輸出電壓才按線(xiàn)性規(guī)律變化。

增益帶寬積(GBP)

在某頻率下測(cè)量的開(kāi)環(huán)電壓增益與測(cè)量頻率的乘積，GBP=FH*AM;其中頻率為FH運(yùn)放增益衰減為-3dB時(shí)帶寬，AM表示增益的幅值，F(xiàn)T時(shí)為單位增益帶寬，這個(gè)概念也只有電壓反饋型運(yùn)放才有，電流反饋型則不存在。

-3db頻率點(diǎn)與示波器的帶寬概念差不多，對(duì)于一個(gè)輸入信號(hào)，頻率逐漸增大到某一個(gè)值比如Fh,這時(shí)輸出信號(hào)的幅值會(huì)衰減到初始信號(hào)幅值的0.707倍，信號(hào)功率會(huì)衰減到一半以下。(對(duì)于一個(gè)放大電路而言，能夠放大輸入信號(hào)是有一定頻率范圍的，當(dāng)頻率達(dá)到某一頻率時(shí)，輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)衰減，一般我們應(yīng)用運(yùn)放除了跟隨器與比較器，都是搭建反饋電路，工作在深度負(fù)反饋的狀態(tài)下，所以工作頻率與開(kāi)環(huán)的帶寬是有區(qū)別的)。

供電電源軌(PRO)

運(yùn)放供電電壓，決定運(yùn)放處理信號(hào)的范圍。而軌到軌指的是，運(yùn)放輸入輸出范圍，可以擺到電源軌，即在給定電源電壓和負(fù)載情況下，輸出能夠達(dá)到的最大電壓范圍。當(dāng)運(yùn)放的輸出范圍已經(jīng)接近于電源電壓范圍時(shí)，就自稱(chēng)“輸出軌至軌”，表示為 Rail-to-rail output，或 RRO。當(dāng)選用非軌到軌運(yùn)放，有可能出現(xiàn)輸出信號(hào)被削頂?shù)默F(xiàn)象。

如下圖為某款運(yùn)放內(nèi)部電路，輸出是三極管組成推挽結(jié)構(gòu)的，而三極管存在一個(gè)飽和壓降0.3V~1V，所以即使運(yùn)放的輸出電流再小也是存在壓降的。隨著負(fù)載的加重，輸出最大值與電源電壓的差異會(huì)越大。

還有一個(gè)概念就是輸入軌之軌，當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)的電路信號(hào)幅度接近于電源，就要選用一款輸入軌之軌的運(yùn)放來(lái)保證輸入信號(hào)能被檢測(cè)到。

共模抑制比(CMRR)

差模電壓增益與共模電壓增益的比值，用 dB 表示。CMRR = 20 lg (Ad/Ac)范圍：一般運(yùn)放都有 60dB 以上的 CMRR，高級(jí)的可達(dá) 140dB 以上。運(yùn)算放大器在單端信號(hào)輸入使用時(shí)，不存在這個(gè)概念。只有把運(yùn)放接成類(lèi)似于減法器形式，使得運(yùn)放電路具備兩個(gè)可變的輸入端時(shí)，此指標(biāo)才會(huì)發(fā)揮作用。(越大的CMRR，對(duì)抑制開(kāi)關(guān)噪聲(共模干擾)，越有效果)

開(kāi)環(huán)差模增益(Aod)

定義為當(dāng)運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí)，運(yùn)放輸出電壓與差模電壓輸入電壓的比值，Aod=ΔUo/Δ(Up-Un)。單位用 dB 表示，一般運(yùn)放差模開(kāi)環(huán)直流電壓增益很大，通常在 60dB~160dB 之間，越大說(shuō)明其放大能力越強(qiáng)。由分貝的概念;如100dB=20*lg(Avd),可求出Avd=10^5倍，那么放大倍數(shù)就是十萬(wàn)倍(當(dāng)輸入的信號(hào)差被放大了十萬(wàn)倍，輸出已經(jīng)遠(yuǎn)大于電源電壓，這時(shí)是滿(mǎn)偏的狀態(tài)。而每個(gè)芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，參數(shù)會(huì)有所差異，并且通常情況下開(kāi)環(huán)狀態(tài)下的運(yùn)放增益會(huì)遠(yuǎn)大于實(shí)際的需求，所以應(yīng)用電路中都是外接反饋電阻來(lái)限制放大倍數(shù)，使得實(shí)際的放大倍數(shù)接近需求值)而在實(shí)際使用中除了比較器我們幾乎用不到開(kāi)環(huán)的運(yùn)放電路，那么由包含有限增益誤差的閉環(huán)增益公式推導(dǎo)得出;當(dāng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)Avol越大，其實(shí)際閉環(huán)增益Gcl與我們期望的理論值偏差就越小;

Gcl:閉環(huán)增益β：反饋環(huán)路的衰減系數(shù)-放大電路中反饋電阻的比值A(chǔ)vol:開(kāi)環(huán)放大倍數(shù) ,Aod=20*lg(Avol)

輸入失調(diào)電壓(Vos)

為了使輸出電壓為零，在輸入端施加的差分電壓，也可以叫補(bǔ)償電壓。理想運(yùn)放電路中，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)是同步的，然而實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有輸入信號(hào)的時(shí)候也會(huì)有一個(gè)比較小的輸出信號(hào)，這樣我們就會(huì)對(duì)電路調(diào)零，設(shè)置一個(gè)輸入信號(hào)，使得輸出信號(hào)為零或者為一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)，這時(shí)候輸入的信號(hào)就是輸入失調(diào)電壓。

例如一個(gè)最大輸入失調(diào)電壓為100mV的運(yùn)放，當(dāng)輸入10mV的信號(hào)，由于失調(diào)電壓的存在，就會(huì)產(chǎn)生10%的誤差，對(duì)精度要求很高的設(shè)計(jì)就需要有較低的失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電流同理概念同理。

輸入偏置電流

對(duì)于理想運(yùn)放而言，有個(gè)特點(diǎn)就是輸入阻抗無(wú)窮大，通常幾十MΩ。輸出阻抗趨近于零;對(duì)于一個(gè)放大電路而言輸入阻抗當(dāng)然是越大越好，這樣從前一級(jí)電路索取的功率就越小，而輸出阻抗越小越好，這樣信號(hào)就能完整傳遞到下一級(jí)電路。

而實(shí)際的情況下，如下圖OP07運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所示，由于輸入端都是三極管基極，由三極管的特性，輸入端無(wú)論如何都會(huì)有微小的電流流入才能工作，即使是用場(chǎng)效應(yīng)管，柵極也是需要輸入偏置電流的。

總結(jié)：對(duì)于以上的幾個(gè)運(yùn)放關(guān)鍵參數(shù)的解讀的一個(gè)小結(jié)就是

軌到軌特性很重要。

GBW越大，理論增益和實(shí)際增益差距越小。

對(duì)于精確度較高的應(yīng)用，選取失調(diào)電壓小的運(yùn)放。

輸入偏置電流一般無(wú)法準(zhǔn)確補(bǔ)償。而越大的CMRR，對(duì)抑制共模干擾越有效果。

在實(shí)際的應(yīng)用中還要著重區(qū)分應(yīng)用電路信號(hào)的類(lèi)型來(lái)重點(diǎn)看待參數(shù)，當(dāng)然具體參數(shù)還要看具體電路的應(yīng)用。我還收集一些常用運(yùn)放的匯總，想了一下感覺(jué)篇幅過(guò)長(zhǎng)，其次也沒(méi)有必要，這種經(jīng)驗(yàn)性的總結(jié)，還是自己慢慢積累才能深有體會(huì)。