基于TI器件的电子竞赛常用模拟系统设计与实践——第2课 主要运放参数与运放类型

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查看: 3718回复: 7 发表于 2019-4-26 18:04:37   只看该作者
本帖最后由 xxl1925 于 2019-5-2 18:31 编辑

第2课    主要运放参数与运放类型

    1.主要运放参数
    集成运放的基本参数很多,包括静态技术指标(直流参数)和动态技术指标(交流参数)。。例如,输入失调电压、输入失调电流、输入偏置电流、输入失调电压温漂、最大差模输入电压、最大共模输入电压、供电电源等就属于静态技术指标;而开环差模电压放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、-3dB带宽、单位增益带宽、转换速率等就属于动态技术指标。
对电路而言,哪些特性最重要,要取决于完成何种任务。在评估运放或其它任何器件时,务必了解它们的电气特性、测试条件以及具体的测试数据表格,这样才有利于器件选型、电路设计与应用。
    运放参数中,输入失调电流IOS、输入失调电压VOS、单位增益带宽GBW和转换速率SR是比较难以理解的概念,对电路设计影响也最大,需要充分理解和掌握。
    (1)输入失调电流和输入失调电压
    理想状态下,并无电流进入运放的输入端。而实际电路中,始终存在两个输入偏置电流,即IB+IB-,如图1.2.1所示。当两个输入偏置电流不均衡时,便产生输入失调电流。“输入失调电流”IOS是IBIB+之差的绝对值,即
IOS = |IB-−IB+|                                    (1.2.1)
图1.2.1.jpg
图1.2.1  运放输入偏置电流
    理想状态下,如果运算放大器的两个输入端电压完全相同,输出应为0 V。实际上,还必须在输入端施加小差分电压,强制输出达到0。该电压称为输入失调电压VOS。输入失调电压可以看成是电压源VOS,与运放的反相输入端串联,如图1.2.2所示。
图1.2.2.jpg
图1.2.2  典型的运放输入失调电压
    以反相放大电路为例,说明IOS和VOS对运放电路的影响,如图1.2.3所示。设IB->IB+,此时流入反相端的电流为IOS,那么偏置电压(输入为0时的输出电压)为
式1.2.2.jpg                            (1.2.2)
  由式(1.2.2)可知:由于VOS的存在,若放大倍数过大,将会增加偏置电压值;同样地,由于VOS的存在,若反馈电阻Rf过大,一是会增加电路的输入噪声,二是会增加偏置电压值。若再单独考虑IBIB+的影响,可计算出偏置电压为
式1.2.3.jpg                (1.2.3)
  则当R2=Rf//R1,偏移电压值最小,因此R2又称为平衡电阻。
图1.2.3.jpg
图1.2.3  输入失调电流和失调电压对运放电路的影响
    针对IOS和VOS的影响,设计运放电路时还应该注意以下问题。
    ① 在高精度放大电路中,即使IOS再小也不能忽视。以1MΩ源阻抗驱动同相单位增益缓冲器为例,如果偏置电流为10nA,则会额外引入10mV的误差,从而导致系统误差增加。
    ② 使用平衡电阻可以最大程度地减少额外的失调电压误差,如果平衡电阻大于大于1kΩ时,则应使用电容进行旁路,以免噪声影响。但是,由于电流反馈(CFB)型运放两端的偏置电流差别较大,不适宜使用平衡电阻消除偏置。
    ③ CFB运放由于同相和反相端的输入电流完全不匹配,因此在此类运放中讨论IOS没有多大意义。
    ④ 对于由两个并联级构成的轨到轨输入级,当共模电压经过跃迁区时,偏置电流方向会发生改变。因此,这类器件的偏置电流和失调电流尤其难以标定,根本不可能简单地给出最大正值/负值。
    ⑤ 在高精度放大电路中,需要对运放进行调零操作,以减少IOS和VOS引起的输出误差。许多单通道运放都提供失调零点调整引脚,如µA741。如果运放芯片没有提供失调调整引脚(如常见的双路运放和所有的四路运放都没有提供),则需要采用外部调整方法:使用可编程电压完成失调调整,这种方法最有效,例如用DAC;也可以外加调零电路来进行调节,具体请参看第4课的运放外部调零电路部分。
    (2)开环带宽BW和单位增益带宽GBW
    与理想运放不同,实际运放的增益是有限的。开环直流增益(通常表示为AO)指运放在反馈环路未闭合时的增益,因而有了“开环”之称。对于精密运算放大器,该增益可能非常高,为160 dB或以上。从直流到主导极点转折频率,该增益表现平坦。此后,增益以6 dB/2倍频程(20 dB/10倍频程;2倍频程指频率增加一倍,10倍频程指频率增加十倍)速率下降。如果运放有一个单极点,则开环增益以该速率下降,如图1.2.4(a)所示。实际运放一般有一个以上的极点,如1.2.4(b)所示。第二个极点会使开环增益下降至12 dB/2倍频程(40 dB/10倍频程)。如果开环增益达到第二个极点频率之前降至0 dB(单位增益)以下,则运放在任何增益下均会无条件地保持稳定。数据手册上一般将这种情况称为单位增益稳定。如果达到第二个极点的频率且闭环增益大于1(0 dB),则放大器可能不稳定。有些运放设计为只有在较高闭环增益下才保持稳定,这就是所谓的非完全补偿运算放大器。同时注意,运放可能在较高频率下拥有更多额外的寄生极点,一般情况下前两个极点是最重要的。
图1.2.4.jpg   
图1.2.4 开环增益(波特图)
    开环增益并不是一项精确控制的参数。其范围相对较大,在规格参数中,多数情况下均表示为典型值而非最大/最小值。有些情况下,一般指高精度运算放大器,该参数会有一个最小值。另外,开环增益可能因输出电压电平和负载而变化,这就是所谓的开环增益非线性度。该参数与温度也有一定的相关性。一般来说,这些影响很小,多数情况下都可以忽略不计。
对于单极点响应,开环增益以6 dB/8倍频程下降。这就是说,如果我们将频率增加一倍,增益会下降两倍。相反,如果使频率减半,则开环增益会增加一倍,如图1.2.5所示。用频率乘以开环增益,其积始终为一个常数,称为增益带宽积(GBWP),其值就是单位增益带宽。注意,增益带宽积仅对电压反馈(VFB)型运放有意义,电流反馈(CFB)型运放没有固定的增益带宽积,且在反馈电阻固定而增益变化时带宽变化不大(这也是CFB运放的一个主要优点);另外,很多运放数据手册中给出的单位增益带宽是-3dB时的带宽。
图1.2.5.jpg
图1.2.5  增益带宽积
    例如,如果有这样一个应用,要求闭环增益为10,带宽为100 kHz,则需要一个最低增益带宽积为1 MHz的运放。但这有点把问题过度简单化了,因为增益带宽积变化极大,而且在闭环增益与开环增益相交的位置,响应实际上要低3 dB。另外,还应该允许一定的额外余量。在这个应用中,增益带宽积为1 MHz的运算放大器是最低要求。保险起见,为了实现要求的性能,因数至少应该是5。因此选择了增益带宽积为5MHz的运算放大器。
    (3)转换速率SR
    转换速率SR指的是运放在额定负载及输入阶跃最大信号时输出电压的最大变化率,也称为压摆率或摇摆率。一个正弦波的最大SR出现在过零点的时候,如图1.2.6所示。下面的等式给出了这时的信号转换速率:
SR = 2πf×Vp                                 (1.2.4)
其中,f为信号的频率,Vp为信号的峰值电压,SR的单位是V/μs。注意:大多运放数据手册提供的是小信号条件下的SR
图1.2.6.jpg
图1.2.6  正弦波最大斜率在其过零点处
    由于SR是最大变化率,由式(1.2.4)可知,此时的f也是允许输入的最大信号频率,即
式1.2.5.jpg                                   (1.2.5)
fp称为最大功率频率,又由于其是在Vp下得到,所以又称为功率带宽或者大振幅频率带宽。fp和一般运放数据手册中给出的小信号单位增益带宽GBW不同,这一点在运放选型时要特别注意。例如,运放OPA690的转换速率SR=1800V/μs,输出Vp=2V时,则fp=1800/(2×3.14)=287MHz,而OPA690数据手册给出的GBW=500MHz(增益为1,输出0.5V,反馈电阻为25Ω,供电电压±5V条件下),fpGBW的差别很大。输入信号频率必须小于fp,否则输出信号会出现失真现象。
    构建如图1.2.7(a)所示的运放OP07测试电路,图1.2.7(b)是使用示波器观察OP07对阶跃信号响应的波形。这是运放作跟随器时SR的影响。
图1.2.7.jpg       
图1.2.8  SR使输出跟随输入需要一定的时间
    SR对放大电路的直接影响,就是使输出信号的上升时间或下降时间过慢,从而引起失真。图1.2.8是测试运放OP07放大10倍时的电路和波形。由于OP07的增益带宽积为600kHz,理论上增益为10的时候的带宽为60kHz。图1.2.8(b)是100kHz时测试的结果,显然输出波形已经失真,原因就是压摆率不够了。
图1.2.8.jpg
图1.2.9  SR不足导致正弦波放大后变成三角波输出
    在大多数运放中,影响SR的主要因素是内部的补偿电容,加上这个电容的目的是为了使运放有稳定的单位增益。但不是每一个运放都是有补偿的,在没有内部补偿电容的运放中,SR是由运放内部的分布电容确定的。未补偿的运放通常比减补偿运放具有更快的SR,而减补偿运放比全补偿运放具有更快的SR。
    2.运放类型
    集成运放种类较多,按性能不同可分为通用型和专用型两大类。专用型又有高阻型、低温漂型、高速型、低功耗型、高压大功率型和对数/反对数放大器等。
    通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例μA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器,使用量最大。
    特殊型运算放大器是针对特定的用途而设计的,某些技术指标比较突出。
    (1)高速宽带型:用于宽频带放大场合,如高速A/D、D/A,高速数据采集测试系统等。压摆率SR大于几十伏∕μs,单位增益带宽GBW大于10MHz。
    (2)高精度(低漂移型):用于精密仪表放大器,精密测试系统,精密传感器信号变送器等场合。
    (3)高输入阻抗型:用于测量设备及采样保持电路中。
    (4)低功耗型:用于空间技术和生物科学研究中,工作于较低电压下,工作电流微弱。
    (5)功率型:这种运放的输出功率可达1W以上,输出电流可达几个安培以上。大功率型集成运放的电源电压为正负几十伏,输出电流几十安培,输出功率为几十瓦左右。

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发表于 2019-4-28 09:03:38   只看该作者
谢谢老师分享

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二氧化硅

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发表于 2019-5-4 11:28:04   只看该作者

运放大家都用过,但可能会出现各种奇葩现象,其实就是运放的参数特性在作怪!!!主要运放的参数,确实是比较重要,大家重在理解,并在实践中体会。

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一粒轻沙

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发表于 2019-5-16 14:44:27   只看该作者
老师,请教一下对于使用ADC测量弱直流电压的系统设计中,需要使用运算放大器热电偶输出进行放大,热电偶输出0~20mV,放大倍数150,ADC采样频率只需10Hz,运放电路可以怎么设计,需要主要注意哪些方面呢。

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一粒轻沙

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发表于 2019-5-16 16:20:58   只看该作者
讲得太好了

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Tamap 发表于 2019-5-16 14:44
老师,请教一下对于使用ADC测量弱直流电压的系统设计中,需要使用运算放大器热电偶输出进行放大,热电偶输 ...

建议使用仪表放大器和滤波器配合进行设计,估计后面几课的内容对您会有帮助,敬请关注!

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发表于 2019-5-18 10:23:08   只看该作者

非常感谢您言简意赅的评价!:handshake

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发表于 2019-7-14 10:47:03   只看该作者
有一个地方不太理解图1.25上面那一段话,“对于单极点响应,开环增益以6db/8倍频程下降。这就是说,如果我们将频率下降一倍,增益会下降两倍”,为啥增益是下降两倍的呢?
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