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老司機(jī)帶你實(shí)戰(zhàn)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2019-04-18 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】運(yùn)算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中,通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。以下老司機(jī)將從十個(gè)問題帶你實(shí)戰(zhàn)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。
 
Q1:OPA內(nèi)部是怎樣構(gòu)成的?
   “就是一堆晶體管”
   (參考lm358 diagram)
 
 
- 包含輸入級(jí),中間放大級(jí)和輸出級(jí)?;趹?yīng)用的話,不用特別關(guān)注內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
- 同相端和反相端輸入地方有等效二極管,就是所謂的ESD保護(hù)。一般運(yùn)放內(nèi)部都會(huì)做。輸出端也有。但是因?yàn)樽鲈谛酒瑑?nèi)部,所以能力有限,即最大通過(guò)瞬間電流有限。
 
提示:芯片級(jí)的ESD等級(jí)和產(chǎn)品級(jí)的ESD等級(jí)完全是兩碼事,遵循的不是一個(gè)規(guī)范。
芯片規(guī)格書上,ESD指標(biāo)雖然寫著2kV ,應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品上,如果打2kV靜電上去,是無(wú)法承受的。產(chǎn)品ESD遵循的是IEC61340的標(biāo)準(zhǔn)。所以,設(shè)計(jì)過(guò)程中,想要通過(guò)選擇自身ESD高的芯片去防止浪涌,是不可取的。
所以一般芯片,用靜電槍直接打管腳,能承受400v靜電的已經(jīng)算頂尖芯片了。有的芯片會(huì)直接標(biāo)機(jī)器模式,通常就是400v和200v這樣的值了。
 
Q2:OPA常用封裝有哪些?
常見1/2/4路,常用封裝基本都兼容。
 
小提示:設(shè)計(jì)時(shí)候盡量選通用封裝,否則很容易是Single Source(獨(dú)一物料,市面上沒有兼容的),結(jié)果就是被供應(yīng)商綁架。
日系的很多封裝尺寸很怪異。跟歐美系的很多封裝不一樣。所以選日系芯片的時(shí)候,留個(gè)心眼,一不小心,就是single source了。
 
Q3:OPA都有哪些作用?
放大小信號(hào)(或縮小大信號(hào))
阻抗匹配
信號(hào)隔離:例如跟隨放大器
濾波(低通,高通,帶通濾波等):一階濾波用的比較多,提示,網(wǎng)上小工具可以用來(lái)計(jì)算參數(shù)。
驅(qū)動(dòng):可以驅(qū)動(dòng)音響,驅(qū)動(dòng)視頻設(shè)備伽馬線,這些應(yīng)用都要求瞬間輸出電流很大。
    - 運(yùn)放驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)線:線約長(zhǎng),分布電容越大,運(yùn)放驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載,會(huì)產(chǎn)生震蕩
做小功率電源
- 一般運(yùn)放輸出20-30mA,跟I/O口差不多。
- 有些特殊運(yùn)放能夠輸出1-2A比較大電流的,可以當(dāng)做小功率電源用,很干凈。但是不能做基準(zhǔn)源,因?yàn)榫炔粔颉?/div>
 
Q4:OPA怎樣供電?
- 引用業(yè)內(nèi)資深專家:如果一個(gè)運(yùn)放都不舍得用LDO供電,還指望談穩(wěn)定性?
- DCDC都不可以,最好盡量是LDO,最次也得7805。
 
Q5:OPA都有哪些類型?
超低功耗運(yùn)放(Nano Power OPA):幾百nA
低功耗運(yùn)放(Micro Power OPA):
高速運(yùn)放(High Speed OPA):重點(diǎn)兩個(gè)參數(shù):增益帶寬積(GBP)和壓擺率(SR)
高精度運(yùn)放(High Precision OPA):重點(diǎn)兩個(gè)參數(shù):Vos失調(diào)電壓(低于采樣電壓的一半),溫漂
低噪聲運(yùn)放(Low Noise OPA):常用于腦電波,心率,脈搏等小信號(hào)采集
差分放大器(Fully Differential OPA):輸入共模抑制比足夠大(有人拿高精度運(yùn)放當(dāng)做差分放大器,為了節(jié)省成本,但是效果不行。)
功率放大器(Power OPA):功放驅(qū)動(dòng)
音頻放大器(Audio OPA):
儀表放大器(Instrumentation OPA):共模抑制比很高。配合專門電路,能夠有效去除共模干擾。
其他專用型放大器
 
Q6:OPA常用的參數(shù)有哪些?
輸入失調(diào)電壓(Input Offset Voltage) Vos
輸入失調(diào)電壓的溫漂(Offset Voltage Drift):對(duì)Vos的補(bǔ)充
輸入偏執(zhí)電流(Input Bias Current)IB:
輸入失調(diào)電流(Input Offset Current)Ios:是IB的補(bǔ)充
共模電壓輸入范圍(Input Common-Mode Voltage Range)Vcm:運(yùn)放在某個(gè)供電下,同相端和反相端給到的最大信號(hào)范圍。
輸出特性(Output Characteristic)
輸出電流限制(Output Current Limit):關(guān)注這個(gè)參數(shù),主要因?yàn)?,有些?yīng)用要求輸出電流盡量大,比如輸出線很長(zhǎng)(跳線連接兩個(gè)系統(tǒng))或者 負(fù)載輸入阻抗很小。
小提示:如果用長(zhǎng)線鏈接兩個(gè)系統(tǒng),輸出要串個(gè)電阻:1)來(lái)限流。2)防止熱插拔瞬間的浪涌 。
ESD和浪涌的區(qū)別。
1) 浪涌持續(xù)的是毫秒級(jí),ESD靜電只持續(xù)微秒或者納秒級(jí)別。
2) 浪涌一般示波器可以抓下來(lái)。ESD靜電一般示波器是看不到的。
 
工作電壓范圍 VDD
靜態(tài)工作電流(Quiescent Current)Iq
增益帶寬積(Gain Bandwidth Product)GBP:對(duì)交流信號(hào)非常重要 ,直流信號(hào)可以不用關(guān)注太多。
壓擺率(Slew Rate)SR:GBP大,意味著SR大;SR值用來(lái)反映跳變沿快慢的。
開環(huán)增益(Open-Loop Voltage Gain)Aol:常見120db;這個(gè)值越大,留給設(shè)計(jì)放大倍數(shù)的余量越大。也是交流特性,跟頻率密切相關(guān)。
電壓噪聲密度(Voltage Noise Density)en:
相位裕度(Phase Margin):越大越好,越穩(wěn)定
共模信號(hào)抑制比(Common Mode Rejection):反映了對(duì)共模干擾信號(hào)的抑制能力,值越大越好。
電源紋波抑制比(Supply Voltage Rejection):反映了對(duì)供電端噪聲的抑制能力,值越大越好。
 
Q7:三極管放大能代替運(yùn)放放大嗎?
Yes:運(yùn)放內(nèi)部本身就是一堆晶體管的集成,音樂發(fā)燒友所推崇的所謂“膽機(jī)”,很多就是用分立的晶體管、電子管所設(shè)計(jì)。
No:但是三極管參數(shù)一致性差,放大電路批量生產(chǎn)良率低,需要微調(diào)參數(shù),生產(chǎn)工藝麻煩。
 
Q8:什么是軌至軌運(yùn)放?
軌(Rail)指的是供電電壓
共模輸入電壓(Common Mode Input Voltage)范圍“包含(超過(guò)一點(diǎn))”供電電壓,即所謂軌至軌輸入。
輸出電壓范圍“包含(幾乎達(dá)到)”供電電壓,即所謂軌至軌輸出。
 
Q9:運(yùn)放可以用作比較器么?
Yes:
大部分運(yùn)放是可以再開環(huán)下工作的
No:
-有一些運(yùn)放的同相輸入與反相輸入之間有嵌位二極管(差分二極管保護(hù)),用作比較器時(shí)(壓差超過(guò)0.7v)會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)嵌位二極管導(dǎo)通,(如果源輸入阻抗很低,可以供的電流很大)從而有大電流流過(guò),甚至燒壞芯片。
(看差模輸入電壓范圍,這個(gè)參數(shù)大,說(shuō)明沒有嵌位二極管??梢杂?。)
-反應(yīng)速度慢,即使高速運(yùn)放,也不夠快。
-穩(wěn)定性不佳,過(guò)載飽和時(shí)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。
 
 
- 輸出無(wú)法真正到軌
輸入級(jí)由于補(bǔ)償電路作用,可以超過(guò)供電軌,但是輸出級(jí)由于晶體管的導(dǎo)通內(nèi)阻,無(wú)法真正到軌,會(huì)有幾mV~幾十mV的差距。
 
- 輸出誤差和帶負(fù)載阻抗相關(guān):負(fù)載大,輸出小,負(fù)載很重,輸出到電源軌的差距就很大
 
Q10:怎樣選擇合適的運(yùn)放?
直流信號(hào):
- 確定信號(hào)具體特性:信號(hào)范圍,精度。確定好這些參數(shù),甚至就可以直接聯(lián)系FAE來(lái)幫助選型。
- 輸入失調(diào)電壓(Vos):根據(jù)信號(hào)最小值,來(lái)決定,通常取最小信號(hào)值的二分之一以內(nèi)。例如,最小信號(hào)值是1mV,那就需要盡量選擇Vos在0.5mV以內(nèi)的。所有的運(yùn)放都會(huì)給出該參數(shù)。著重看最大值,而不是典型值。
- 溫漂:看產(chǎn)品輸出地點(diǎn),環(huán)境溫度可能不同。
- 輸入失調(diào)電流:如果傳感器帶載能力很差,即輸出阻抗很高,輸出電流小。對(duì)運(yùn)放的輸出失調(diào)電流就有要求了,要求輸入運(yùn)放的電流小,這樣對(duì)原信號(hào)的分壓就小。
- 耗電要求
- 工作電壓范圍
- 輸入輸出特性: 是否軌對(duì)軌的?還是非軌對(duì)軌。
 
交流信號(hào)
-    交流信號(hào)的具體特性
-    增益帶寬:待處理信號(hào)頻率X放大倍數(shù) X系數(shù)(一般取5-10)<=運(yùn)放帶寬
-    開關(guān)增益
-    電壓噪聲密度
-    耗電要求
-    工作電壓
-    輸入輸出特性
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