【導(dǎo)讀】提到運算放大器（下文簡稱：運放），很多人肯定覺得既熟悉又陌生。大家可能都在書本上或者工作中聽到過它的大名，但真正用過運放的人就相對較少。其實運放是一種十分常見的電路單元，傳感器一類的信號調(diào)理應(yīng)用是它的主場，此外運放還常被用作比較器、比例放大器、積分器等，在各類電子產(chǎn)品中發(fā)揮著舉足輕重的作用。
提到運算放大器（下文簡稱：運放），很多人肯定覺得既熟悉又陌生。大家可能都在書本上或者工作中聽到過它的大名，但真正用過運放的人就相對較少。其實運放是一種十分常見的電路單元，傳感器一類的信號調(diào)理應(yīng)用是它的主場，此外運放還常被用作比較器、比例放大器、積分器等，在各類電子產(chǎn)品中發(fā)揮著舉足輕重的作用。它還可以作為緩沖器用于電源后級給芯片供電。今天小為就給大家講講到底什么是運放，該怎么選運放，以及怎么回避運放應(yīng)用中的各種“坑”。
運放是一種具有一定放大倍數(shù)的電路單元，通常結(jié)合外部反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊，如緩沖器、比例放大器、加法器、積分器等。以艾為的運放AWS90001為例，其是一款單通道的低壓、低功耗、軌到軌運算放大器，有五個PIN腳，如Fig.1所示：其中IN+和IN-分別是同相輸入端和反相輸入端，V+和V-是運放的電源，OUT是輸出。在不加任何外部環(huán)路也就是開環(huán)情況下，運放的輸入和輸出維持以下關(guān)系：Fig.2 運放開環(huán)輸入輸出關(guān)系簡單來說就是運放的輸出等于輸入端的差值乘Aol。這個Aol稱之為開環(huán)增益，一般在60dB-160dB即1000到1億左右，也就是說開環(huán)時運放會把輸入端所有細小的壓差放大數(shù)千或數(shù)萬倍。運放的輸出不能超過其電源電壓，而運放的供電電壓一般也為幾V到十幾V，所以開環(huán)狀態(tài)下，運放的輸出一般只會存在兩個極端值，即上探到最高輸出電壓，或者下探到最低輸出電壓。這時就需要通過在一開始所提及的外部反饋網(wǎng)絡(luò)來進行調(diào)節(jié)，進入閉環(huán)工作狀態(tài)從而實現(xiàn)各種功能。相信很多人都遇到過同樣的窘境：翻開運放手冊，種種不常見的電氣參數(shù)導(dǎo)致選型無從下手。那么到底有哪些參數(shù)是選型時經(jīng)常關(guān)注的呢？請看下文：運放作為有源器件自然不能缺少外部供電，而其比較特殊的地方就在于大多數(shù)運放支持正負電源供電。當運放采用正負雙電源供電時，對于未經(jīng)處理、擁有正負半周的交流信號具有更大的動態(tài)范圍。而實際應(yīng)用中少有能提供負電源的情況，因此運放常工作在單電源供電狀態(tài)，即V-接地，由V+供電。此時若不調(diào)整電路，則運放對于負半周的信號失去處理能力，如Fig.3所示：因此單電源供電時需要外部提供一個虛地，將輸入信號抬高至運放輸出范圍內(nèi)，通常這個虛地電壓為VCC/2。注意此時需要在反相輸入端加隔直電容C1，如Fig.4所示：書本上學(xué)過的理想運放，存在兩個重要概念，即“虛短”和“虛斷”。其中“虛短”的定義是在開環(huán)增益足夠大且存在負反饋情況下，運放的同相輸入端和反相輸入端之間電位相等，近似短路，因此無輸入時理想運放輸出應(yīng)當為0。但是現(xiàn)實中的運放，由于實際生產(chǎn)設(shè)計中運放的輸入級差分對的兩個MOSFET由于工藝誤差等原因無法做到完全一樣，因此在無輸入時，也會存在一個微小的輸出。為了抵消這個因失調(diào)而產(chǎn)生的輸出，在輸入端加入的直流電壓稱為失調(diào)電壓。在實際應(yīng)用中，失調(diào)電壓的存在相當于引入了一個誤差，使得運放的輸出結(jié)果和理論值存在差異，降低了信號處理的精度。3. Ib/Ios 偏置電流/失調(diào)電流和理想運放的“虛斷”不同的是，實際運放的兩個輸入端并非完全斷路沒有電流。事實上運放輸入級MOSFET需要一個基極電流來提供直流工作點，因此正常工作中運放的兩個輸入端都會有電流流過，此時兩個輸入端電流的平均值稱為Ib偏置電流，差值稱為Ios。輸入端存在的電流會在輸入電阻上形成壓降，從而引入誤差影響輸出精度。這項參數(shù)正如其字面意思，表示運放在閉環(huán)工作狀態(tài)下，其環(huán)路的噪聲增益和帶寬的乘積。噪聲增益這一概念較為少見，其值等于同相放大電路的信號增益，即Noise Gain=1+R2/R1，其中R1為輸入電阻阻值，R2為反饋電阻阻值。增益帶寬積為定值，意味著閉環(huán)運放的增益和帶寬是成反比的，增益越大，其帶寬就越低，因此選型的時候要根據(jù)實際應(yīng)用中的增益和帶寬需求進行篩選。對于大信號的處理，一方面要關(guān)注運放的帶寬是否滿足信號頻率需求，另一方面就是關(guān)注壓擺率是否滿足需求。壓擺率定義為輸入端信號的階躍變化導(dǎo)致的輸出端電壓變化的速度，單位一般為V/us，簡單說就是輸出信號邊沿的最大變化速度。如下圖所示，信號在1us內(nèi)上升了2V，因此其壓擺率SR=2V/1us=2V/us。在運放選型時，需要根據(jù)實際應(yīng)用中需求輸出的信號幅值和頻率，計算出運放所需的最小壓擺率。運放的輸出電壓受到供電電源的限制，不能超過其電源電壓，那最大輸出是否一定能夠等于電源電壓呢？答案是否定的，手冊中該參數(shù)就表明運放的最大輸出幅值或者是最大輸出和電源軌的距離（稱之為擺幅）。事實上由于運放輸出級的MOSFET必然存在一定的導(dǎo)通電阻，因此電流流過必然產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致輸出電壓不可能完全等于電源電壓。受限于內(nèi)部設(shè)計等原因，有些運放的最大輸出和電源電壓之間相差較多，這就限制了運放信號處理的動態(tài)范圍。但是有一類運放我們稱為軌到軌運放，其最大輸出電壓僅比電源電壓低幾十毫伏，因此可以為信號提供盡可能大的動態(tài)范圍。在選型的時候要注意的是，這一參數(shù)與輸出電流相關(guān)，重載時輸出電壓會低于Electrical Table 中的典型值，因此需要關(guān)注芯片手冊中給出的Vo vs Io 曲線，確認在實際應(yīng)用所需的輸出電流下對應(yīng)的輸出電壓需求。在實際應(yīng)用的時候，除了關(guān)注以上這些手冊上的參數(shù)，還有很多容易踩到的“坑”，比如以下的幾個例子在運放應(yīng)用中需要格外注意：
比如在一個需要對微弱信號進行放大的應(yīng)用場合，需要把一個400kHz的信號放大2倍，又考慮到反相放大器的虛地有更強的抗干擾能力，因此采用反相放大配置。此時環(huán)路的信號增益，根據(jù)反相放大電路的增益公式應(yīng)當是G=-R2/R1=-2。因此根據(jù)400kHz的頻率和G=2的增益選擇了增益帶寬積為1M的運放，看起來似乎還留了一定的裕量，但是實測的時候卻發(fā)現(xiàn)信號衰減遠超預(yù)期，問題出在哪里呢？實際上增益帶寬積定義中的這個“增益”并非信號增益，而是噪聲增益NG。對于同相比例放大器，環(huán)路的信號增益為：而對于反相比例放大器，其環(huán)路的信號增益為：可以看出對于同相放大電路，它的噪聲增益和信號增益數(shù)值上是相等的，但是在反相放大電路中卻不同。因此案例中反相放大2倍的配置，實際的噪聲增益應(yīng)該是NG=1+R2/R1=3，進一步算出最小的增益帶寬積應(yīng)該是1.2M，所以選用1M的運放遠遠不夠。在上述內(nèi)容提到過，所謂的軌到軌運放其實也并不是真的能夠達到電源軌，只是更加接近電源軌。并且其與輸出級MOS管的導(dǎo)通阻抗相關(guān)，因此實際輸出時的負載電流以及溫度都會影響最大輸出電壓這個指標。因此需要關(guān)注芯片手冊中給出的Vo vs Io 曲線，確認在實際應(yīng)用的輸出電流和溫度下對應(yīng)的輸出電壓需求。在一些應(yīng)用場合中，運放輸出的信號通過ADC進行采樣，這時候會出現(xiàn)一種現(xiàn)象：在信號穩(wěn)定時，ADC采集的值很準確，但是信號變化時數(shù)據(jù)就很不穩(wěn)定。這個現(xiàn)象的原因在于運放的輸出端發(fā)生信號跳變的時候，并非穩(wěn)定的過程，而是一個振蕩的過程。運放有一項指標叫建立時間，表征的就是運放的輸出電壓趨于穩(wěn)定的時間，因此在這個時間段內(nèi)，運放的輸出處于振蕩狀態(tài)，對于高采樣率的ADC而言，這個階段就會產(chǎn)生一定的誤差。此時可以調(diào)節(jié)ADC的采樣率，適當增加采樣時間，把信號建立階段的帶來的影響降低。上文提到失調(diào)電流存在于運放的每個輸入端，當這些電流流過電阻的時候就會產(chǎn)生壓降形成誤差。對于像艾為AWS90001一類的低失調(diào)電流運放來說，低至pA級的失調(diào)電流至少需要高達GΩ級別的電阻才會引入一個mV級的電壓，因此這時基本可以忽略失調(diào)電流的影響。但是對于非低失調(diào)類的運放來說，有些運放的失調(diào)電流能達到uA級別，這時環(huán)路中一個百kΩ的電阻就可以造成百mV的誤差，此時失調(diào)電流的影響就不可忽略了。一般的解決方案是在另一輸入端串聯(lián)一個平衡電阻，如下圖所示，這樣在兩個輸入端都會產(chǎn)生一個壓降從而其影響相互抵消。這里需要注意的是，平衡電阻的引入雖然補償了失調(diào)電流的影響，但同時也引入了一個噪聲源，因此若本就采用了低失調(diào)運放且失調(diào)電流影響可忽略的情況下，不建議添加額外的電阻。艾為AWS90001是一款低壓、低功耗、軌到軌運算放大器。工作電壓：1.8V-5.5V，支持低至1.8V的低壓應(yīng)用場合，且支持單電源或正負電源供電
靜態(tài)功耗：66μA
輸入和輸出范圍：支持軌到軌輸入和輸出，2kΩ負載下典型輸出擺幅僅35mV
失調(diào)電流：±1pA，可支持較高精度的電流檢測應(yīng)用
短路電流：38mA，足以滿足應(yīng)用中對負載抽或者灌電流的需求
失調(diào)電壓：±0.4mV
增益帶寬積：1MHz
壓擺率：2V/us，保證了對于交流信號的處理能力
封裝：WBDFN 0.8mmx0.8mmx0.37mm–5L，極小尺寸封裝支持小型化設(shè)備
*此外，常用于IoT設(shè)備、家用電器或工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域的SOT23-5封裝產(chǎn)品也即將亮相。
艾為AWS90001作為一顆通用型運算放大器，適用多種應(yīng)用場景，以下是幾種常見的應(yīng)用場景及電路示意圖：1.掃地機器人等設(shè)備的電機驅(qū)動模塊MCU給電機驅(qū)動IC發(fā)出指令控制電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機器人車輪的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等操作，同時電機驅(qū)動IC通過外置采樣電阻，結(jié)合AWS90001進行電流檢測與反饋，可以實現(xiàn)機器人堵轉(zhuǎn)檢測等功能。熱敏電阻RT兩端的電壓作為差分信號輸入到配置為差分放大器的AWS90001，使信號被放大方便后級ADC處理，同時可以有效排除共模干擾。光電二極管產(chǎn)生的電流和照射在其上的光照強度成正比，但是其輸出電流常為μA級或者mA級，因此可以通過AWS90001組成跨阻放大器將微弱的電流信號放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號，提供給后級進行處理和分析。生物傳感器葡萄糖氧化酶電極利用電化學(xué)傳感器進行血糖測試。由化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)移給電極，在電壓的作用下發(fā)生定向流動，形成氧化電流。通過檢測電流變化與葡萄糖濃度近似線性關(guān)系，從而達到檢測血糖濃度的目的。由電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的微弱電流經(jīng)過AWS90001構(gòu)成的跨組放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大，輸出至ADC模塊給MCU進行處理。目前艾為也繼續(xù)在積極開發(fā)新的產(chǎn)品，包括運放系列后續(xù)也會推出更多優(yōu)秀的新產(chǎn)品以應(yīng)對更多的應(yīng)用場景，滿足客戶的不同需求，敬請期待！
*參考文獻：
[1] analog ADALM2000實驗：運算放大器建立時間
（來源：艾為電子，作者：托馬獅）
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