詳解運(yùn)放的參數(shù)及選擇

來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)

最近在使用一款PGA，在PGA輸入端接地時(shí)發(fā)現(xiàn)輸出總有個(gè)矩形波信號(hào)，放大1000倍后非常明顯，懷疑是電源引起的干擾。開(kāi)始的時(shí)候在輸入正負(fù)電源處都 加了100uf和0.1的電容，但效果不明顯，后來(lái)準(zhǔn)備再電源輸入端再串聯(lián)一個(gè)電阻，一開(kāi)始電阻選擇的是1k，但上電后發(fā)現(xiàn)芯片根本都無(wú)法工作，測(cè)量芯片 兩端的電源電壓發(fā)現(xiàn)才一點(diǎn)多v。這時(shí)候就看了下數(shù)據(jù)手冊(cè)的靜態(tài)電流，發(fā)現(xiàn)竟然是5mA，然后這個(gè)PGA是5v供電的，如果PGA正常工作，1k電阻上的分 壓都能到5v。所以后來(lái)用了個(gè)50歐的電阻配合著100uf和0.1uf構(gòu)成了個(gè)低通濾波，這樣一來(lái)芯片工作正常了，然后輸出的波紋也小了很多。

在選擇運(yùn)放時(shí)應(yīng)該知道自己的設(shè)計(jì)需求是什么？從而在運(yùn)放參數(shù)表中來(lái)查找。一般來(lái)說(shuō)在設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題包括：

1、運(yùn)放供電電壓大小和方式選擇；

2、運(yùn)放封裝選擇；

3、運(yùn)放反饋方式，即是VFA (電壓反饋運(yùn)放)還是CFA(電流反饋運(yùn)放)；

4、運(yùn)放帶寬；

5、偏置電壓和偏置t電流選擇；

6、溫漂；

7、壓擺率；

8、運(yùn)放輸入阻抗選擇；

9、運(yùn)放輸出驅(qū) 動(dòng)能力大小選擇；

10、運(yùn)放靜態(tài)功耗，即ICC電流大小選擇；

11、運(yùn)放噪聲選擇；

12、運(yùn)放驅(qū)動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定時(shí)間等等。

偏置電壓和輸入偏置電流

在精密電路設(shè)計(jì)中，偏置電壓是一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于那些經(jīng)常被忽視的參數(shù)，諸如隨溫度而變化的偏置電壓漂移和電壓噪聲等，也必須測(cè)定。精確的放大器要求偏置電壓的漂移小于200μV和輸入電壓噪聲低于６nV/√Hz。隨溫度變化的偏置電壓漂移要求小于1μV/℃ 。

低偏置電壓的指標(biāo)在高增益電路設(shè)計(jì)中很重要，因?yàn)槠秒妷航?jīng)過(guò)放大可能引起大電壓輸出，并會(huì)占據(jù)輸出擺幅的一大部分。溫度感應(yīng)和張力測(cè)量電路便是利用精密放大器的應(yīng)用實(shí)例。

低輸入偏置電流有時(shí)是必需的。光接收系統(tǒng)中的放大器就必須具有低偏置電壓和低輸入偏置電流。比如光電二極管的暗電流電流為pA量級(jí)，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(yùn)算放大器。

因?yàn)槲椰F(xiàn)在用的是光電池做采集的系統(tǒng)，所以在使用中重點(diǎn)關(guān)心了偏置電壓和電流。如果還有其他的需要，這時(shí)應(yīng)該對(duì) 其他參數(shù)也需要多考慮了。

1、輸入失調(diào)電壓VIO（Input Offset Voltage）

輸入失調(diào)電壓定義為集成運(yùn)放輸出端電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。

輸入失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對(duì)稱(chēng)性，對(duì)稱(chēng)性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運(yùn)放的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，特別是精密運(yùn)放或是用于直流放大時(shí)。

2、輸入失調(diào)電壓的溫漂αVIO（Input Offset Voltage Drift）

輸入失調(diào)電壓的溫度漂移（又叫溫度系數(shù)）定義為在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值。

這個(gè)參數(shù)實(shí)際是輸入失調(diào)電壓的補(bǔ)充，便于計(jì)算在給定的工作范圍內(nèi)，放大電路由于溫度變化造成的漂移大小。一般運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±10~20μV/℃之間，精密運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂小于±1μV/℃。

3、輸入偏置電流IB（Input Bias Current）

在使用運(yùn)放中可能還會(huì)遇到一個(gè)輸入偏置電流IB，輸入偏置電流是指第一級(jí)放大器輸入晶體管的基極直流電流。這個(gè)電流保證放大器工作在線性范圍，為放大器提供直流工作點(diǎn)。

輸入偏置電流定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)，其兩輸入端的偏置電流平均值。

輸入偏置電流對(duì)進(jìn)行高阻信號(hào)放大、積分電路等對(duì)輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流與制造工藝有一定關(guān)系，其中雙極型工藝（即上述的標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）的輸入偏置電流在±10nA~1μA之間；采用場(chǎng)效應(yīng)管做輸入級(jí)的，輸入偏置電流一般低于1nA。

對(duì)于雙極性運(yùn)放，該值離散性很大，但幾乎不受溫度影響；而對(duì)于MOS型運(yùn)放，該值是柵極漏電流，值很小，但受溫度影響較大。

4、輸入失調(diào)電流（Input Offset Current）

輸入失調(diào)電流 offset current，是指兩個(gè)差分輸入端偏置電流的誤差。

輸入失調(diào)電流定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)，其兩輸入端偏置電流的差值。

輸入失調(diào)電流同樣反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對(duì)稱(chēng)性，對(duì)稱(chēng)性越好，輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流是運(yùn)放的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，特別是精密運(yùn)放或是用于直流放大時(shí)。輸入失調(diào)電流大約是輸入偏置電流的百分之一到十分之一。輸入失調(diào)電流對(duì)于小信號(hào)精密放大或是直流放大有重要影響，特別是運(yùn)放外部采用較大的電阻（例如10k或更大時(shí)），輸入失調(diào)電流對(duì)精度的影響可能超過(guò)輸入失調(diào)電壓對(duì)精度的影響。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時(shí)中間零點(diǎn)偏移越小，越容易處理。所以對(duì)于精密運(yùn)放是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。

5、輸入阻抗

（1）差模輸入阻抗

差模輸入阻抗定義為，運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，兩輸入端的電壓變化量與對(duì)應(yīng)的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，在低頻時(shí)僅指輸入電阻。

（2）共模輸入阻抗

共模輸入阻抗定義為，運(yùn)放工作在輸入信號(hào)時(shí)（即運(yùn)放兩輸入端輸入同一個(gè)信號(hào)），共模輸入電壓的變化量與對(duì)應(yīng)的 輸入電流變化量之比。在低頻情況下，它表現(xiàn)為共模電阻。

6、電壓增益

（1）開(kāi)環(huán)電壓增益（Open-Loop Gain）

在不具負(fù)反饋情況下(開(kāi)環(huán)路狀況下)，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)增益，記作AVOL，有的datasheet上寫(xiě)成：Large Signal Voltage Gain。AVOL的理想值為無(wú)限大，一般約為數(shù)千倍至數(shù)萬(wàn)倍，其表示法有使用dB及V/mV等。

（2）閉環(huán)電壓增益（Closed-Loop Gain）

顧名思義，就是在有反饋的情況下，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)。

7、輸出電壓擺幅（Output Voltage Swing）

當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，在指定的負(fù)載下，運(yùn)放在當(dāng)前電源電壓供電時(shí)，運(yùn)放能夠輸出的最大電壓幅度。

8、輸入電壓范圍

（1）差模輸入電壓范圍

最大差模輸入電壓定義為，運(yùn)放兩輸入端允許加的最大輸入電壓差。

當(dāng)運(yùn)放兩輸入端允許加的輸入電壓差超過(guò)最大差模輸入電壓時(shí)，可能造成運(yùn)放輸入級(jí)損壞。

（2）共模輸入電壓范圍（Common Mode Input Voltage Range）

最大共模輸入電壓定義為，當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，在運(yùn)放的共模抑制比特性顯著變壞時(shí)的共模輸入電壓。

一般定義為當(dāng)共模抑制比下降6dB 是所對(duì)應(yīng)的共模輸入電壓作為最大共模輸入電壓。最大共模輸入電壓限制了輸入信號(hào)中的最大共模輸入電壓范圍，在有干擾的情況下，需要在電路設(shè)計(jì)中注意這個(gè)問(wèn)題。

9、共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio）

共模抑制比定義為當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，運(yùn)放差模增益與共模增益的比值。

共模抑制比是一個(gè)極為重要的指標(biāo)，它能夠抑制共模干擾信號(hào)。由于共模抑制比很大，大多數(shù)運(yùn)放的共模抑制比一般在數(shù)萬(wàn)倍或更多，用數(shù)值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運(yùn)放的共模抑制比在80~120dB之間。

10、電源電壓抑制比（Supply Voltage Rejection Ratio）

電源電壓抑制比定義為當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，運(yùn)放輸入失調(diào)電壓隨電源電壓的變化比值。

電源電壓抑制比反映了電源變化對(duì)運(yùn)放輸出的影響。所以用作直流信號(hào)處理或是小信號(hào)處理模擬放大時(shí)，運(yùn)放的電源需要作認(rèn)真細(xì)致的處理。當(dāng)然，共模抑制比高的運(yùn)放，能夠補(bǔ)償一部分電源電壓抑制比，另外在使用雙電源供電時(shí)，正負(fù)電源的電源電壓抑制比可能不相同。

11、靜態(tài)功耗

運(yùn)放在給定電源電壓下的靜態(tài)功率，通常是無(wú)負(fù)載狀態(tài)下。

這里就會(huì)有個(gè)靜態(tài)電流 IQ的概念，靜態(tài)電流其實(shí)就是指運(yùn)放在空載工作時(shí)自身消耗的電流。這是運(yùn)放消耗電流的最小值（排除休眠狀態(tài)）

12、擺率（Slew Rate）

運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率定義為，運(yùn)放接成閉環(huán)條件下，將一個(gè)大信號(hào)（含階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得運(yùn)放的輸出上升速率。

由于在轉(zhuǎn)換期間，運(yùn)放的輸入級(jí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以運(yùn)放的反饋回路不起作 用，也就是轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)換速率對(duì)于大信號(hào)處理是一個(gè)很重要的指標(biāo)，對(duì)于一般運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率SR<=10V/μs，高速運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率 SR>10V/μs。目前的高速運(yùn)放最高轉(zhuǎn)換速率SR達(dá)到 6000V/μs。這用于大信號(hào)處理中運(yùn)放選型。

13、增益帶寬

（1）增益帶寬積（Gain Bandwidth Product）

增益帶寬積，GBP，帶寬與增益的積。

（2）單位增益帶寬

運(yùn)算放大器放大倍數(shù)為1時(shí)的帶寬。

單位增益帶寬和帶寬增益積這兩個(gè)概念有些相似，但不同。這里需要說(shuō)明的是對(duì)電壓反饋型運(yùn)放來(lái)說(shuō)，增益帶寬積是一個(gè)常數(shù)，而對(duì)于電流型運(yùn)放來(lái)說(shuō)卻不是這樣的，因?yàn)閷?duì)于電流型運(yùn)放而言，帶寬和增益不是一個(gè)線性的關(guān)系。

14、輸出阻抗

輸出阻抗定義為，運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，在運(yùn)放的輸出端加信號(hào)電壓，這個(gè)電壓變化量與對(duì)應(yīng)的電流變化量的比值。在低頻時(shí)僅指運(yùn)放的輸出電阻。這個(gè)參數(shù)在開(kāi)環(huán)的狀態(tài)下測(cè)試。

15、等效輸入噪聲電壓（Equivalent Input Noise Voltage）

等效輸入噪聲電壓定義為，屏蔽良好、無(wú)信號(hào)輸入的的運(yùn)放，在其輸出端產(chǎn)生的任何交流無(wú)規(guī)則的干擾電壓。

這個(gè)噪聲電壓折算到運(yùn)放輸入端時(shí)，就稱(chēng)為運(yùn)放輸入噪聲電壓（有時(shí)也用噪聲電流表示）。對(duì)于寬帶噪聲，普通運(yùn)放的輸入噪聲電壓有效值約10~20μV。

審核編輯 黃昊宇