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干货 | 运算放大器15个常见指标

2019-10-20
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输入失调电压(Offset Voltage,VOS)
定义:在运放开环使用时, 加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为 0。
优劣范围:1µV 以下,属于极优秀的。100µV 以下的属于较好的。最大的有几十mV。
对策:
  1 选择 VOS远小于被测直流量的放大器,
  2 过运放的调零措施消除这个影响
  3 如果你仅关心被测信号中的交变成分,你可以在输入端和输出端增加交流耦合电路,将其消除。
  如果 IB1=IB2,那么选择 R1=R2//RF,可以使电流形成的失调电压会消失。但实际中IB1=IB2很难满足
  失调电压漂移(Offset Voltage Drift)
定义:当温度变化(µV/°C)、时间持续(µV/MO)、供电电压(µV/V)等自变量变化时, 输入失调电压会发生变化。
后果:很严重。因为它不能被调零端调零,即便调零完成,它还会带来新的失调。
对策:第一, 就是选择高稳定性,也就是上述漂移系数较小的运放。第二,有些运放具有自归零技术,它能不断地测量失调并在处理信号过程中把当前失调电压减掉。
  输入偏置电流(Input bias current, IB)
定义:当输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的平均值。Ib=(Ib1+Ib2)/2
优劣范围:60fA~100µA。
后果:第一,当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时,过大的输入偏置电流会分掉被测电流,使测量失准。第二,当放大器输入端通过一个电阻接地时,这个电流将在电阻上产生不期望的输入电压。
对策:为避免输入偏置电流对放大电路的影响,最主要的措施是选择 IB较小的放大器。
  输入失调电流(Input offset current, IOS)
定义:当输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的差值。
优劣范围:20fA~100µA。Ib=Ib1-Ib2
后果:失调电流的存在,说明两个输入端客观存在的电流有差异,无法用外部电阻实现匹配抵消偏置电流的影响。
  噪声指标(Noise)
  运放常见的噪声根源有两类,一类为 1/f 噪声,其电能力密度曲线随着频率的上升而下降;一类为白噪声,或者叫平坦噪声,其电能力密度曲线是一条直线,与频率无关。
  如何根据datasheet估算运放的噪声??
  如何计算电阻的噪声??
  噪声的有效值和峰峰值关系:噪声峰峰值为噪声有效值的 6.6 倍。
  输入电压范围(Input Voltage Range)
定义:保证运算放大器正常工作的最大输入电压范围。也称为共模输入电压范围。当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时,比如相差 0.1V 甚至相等、超过,都可以叫“输入轨至轨”,表示为 Rail-to-rail input,或 RRI。
理解:运放的两个输入端,任何一个的输入电压超过此范围,都将引起运放的失效。注意,超出此范围并不代表运放会被烧毁,但绝对参数中出现的此值是坚决不能超过的。
  输出电压范围(VOH/VOL 或者 Swing from rail)
定义:在给定电源电压和负载情况下,输出能够达到的最大电压范围。当运放的输出范围已经接近于电源电压范围时,就自称“输出轨至轨”,表示为 Rail-to-rail output,或 RRO。
理解:在没有额外的储能元件情况下,运放的输出电压不可能超过电源电压范围,随着负载的加重,输出最大值与电源电压的差异会越大。
  输出电压范围,或者输出至轨电压有如下特点:
  1) 正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致,但一般情况下数量级相同;
  2) 至轨电压与负载密切相关,负载越重(阻抗小) 至轨电压越大;
  3) 至轨电压与信号频率相关,频率越高,至轨电压越大,甚至会突然大幅度下降;
  4) 至轨电压在 20mV 以内,属于非常优秀。
  5) RRIO(输入输出均轨至轨)
  共模抑制比(Common-mode rejection ratio, CMRR)
定义:差模电压增益与共模电压增益的比值,用 dB 表示。CMRR = 20 log (Ad/Ac)
优劣范围:一般运放都有 60dB 以上的 CMRR,高级的可达 140dB 以上。运算放大器在单端输入使用时,不存在这个概念。只有把运放接成类似于减法器形式,使得运放电路具备两个可变的输入端时,此指标才会发挥作用。
影响因素:一是运放本身的共模抑制比,二是对称电路中各个电阻的一致性。
  开环电压增益(Open-loop gain, AVO)
定义:运放本身具备的输出电压与两个输入端差压的比值,用 dB 表示。
优劣范围:一般在 60dB~160dB 之间。越大的,说明其放大能力越强。
理解:开环电压增益是指放大器在闭环工作时,实际输出除以运放正负输入端之间的压差,类似于运放开环工作——其实运放是不能开环工作的。AVO 随频率升高而降低
  压摆率(Slew rate, SR)
定义:闭环放大器输出电压变化的最快速率。用 V/μs 表示。
优劣范围:从 2mV/μs 到 9000V/μs 不等。
理解:此值显示运放正常工作时,输出端所能提供的最大变化速率,当输出信号欲实现比这个速率还快的变化时,运放就不能提供了,导致输出波形变形——原本是正弦波就变成了三角波。
  带宽指标
  与带宽相关的指标主要有四项:
  单位增益带宽(Unity Gain-bandwidth, UGBW)
定义:运放开环增益/频率图中,开环增益下降到 1 时的频率。
      增益带宽积(Gain Bandwidth Product, GBP 或者 GBW)
定义:运放开环增益/频率图中,指定频率处,开环增益与该指定频率的乘积。
  -3dB 带宽
定义:运放闭环使用时,某个指定闭环增益(一般为 1 或者 2、 10 等)下,增益变为低频增益的 0.707 倍时的频率。
  满功率带宽(Full Power Bandwidth)
定义:将运放接成指定增益闭环电路(一般为 1 倍),连接指定负载,输入加载正弦波,输出为指标规定的最大输出幅度,此状态下,不断增大输入信号频率,直到输出出现因压摆率限制产生的失真(变形)为止,此频率即为满功率带宽。满功率带宽与器件压摆率密切相关。
  全谐波失真(Total HARMonic Distortion-THD THD)
  衡量一个时域波形与标准正弦波的差异程度的量。也被用于衡量一个放大器的保真程度。谐波是有规律的,在频域中仅出现在指定频点。放大器的失真度指标,有时也用 HD2、 HD3 表征。
  放大器的失真度指标,与很多因素相关,最为显著的有五个:第一是输入信号频率,第二是输出信号幅度,第三是放大电路闭环增益,第四是输出带载大小,第五是供电电压。
  建立时间(Settling Time)
定义:运放接成指定增益(一般为 1),从输入阶跃信号开始,到输出完全进入指定误差范围所需要的时间。
优劣范围:几个 ns 到几个 ms。
一般来说, SR 越大的,建立时间更小。
  电源电压抑制比(PSRR-Power Supply Rejection Ratio)
理解:电源电压抑制比,其含义是运放对电源上纹波或者噪声的抵抗能力。首先,正负电源具有不一定相同的 PSRR(PSRR-不一定等于PSRR+),其次,随着电源电压变化频率的提升,运放对这个变化的抵抗能力会下降。一般情况下,电源变化频率接近其带宽时,运放会失去对电源变化的抵抗——即单位增益情况下电源变化多少,输出就变化多少。因此电源旁常需要加旁路电容。
  热阻(Thermal resistance, θJA)
定义:是导热体阻止热量散失程度的描述。有以下常用的两种:
  θJA,是指芯片热源结(Junction)与芯片周围环境(Ambient)(一般为空气)的热阻。
  θJC,是指芯片热源结(Junction)与芯片管壳(Case)的热阻。
理解:对芯片来说,导热路径的两端分别为自身发热体与环境空气。热阻 θJA 越大,说明散热越困难,其温差也就越大。
  理想运算放大器的特点:
  输入阻抗为∞,开环放大倍数为∞,共模抑制比为∞,带宽为∞,压摆率为∞
  输出阻抗为无穷小,差模输入电压为0,输入电流为0,失调电压,失调电流均为0
  两个重要特性:
  虚短:正负输入端电压相等
  虚短:正负输入端电流为0


最后说说这些动画的不足之处吧:

1.喇叭口一样的三极管并不是我的独创,这个链接也有,但水箱的比喻容易让人产生一种误解,认为IC最大,其实IE才是最大的电流。

2.动画里完全忽略了电子的热运动速度,那个速度远大于电压作用下电子的漂移速度。

3.在张骥博主的建议下买了本郝跃的微电子概论,才意识到我的动画里并没有体现出能级、能带、费米分布等内容。


来源:网络

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