如何選用合適的運(yùn)放?
如何選用合適的運(yùn)算放大器?
要選擇一個(gè)好的運(yùn)算放大器，首先須了解設(shè)計(jì)對(duì)放大器的要求。知道在參數(shù)表中要查找什么，了解運(yùn)算放大器的制造工藝也有助于選擇適合設(shè)計(jì)要求的最佳運(yùn)算放大器。
假設(shè)有一種完美的放大器，適用于任何電路設(shè)計(jì)。這種完美的運(yùn)算放大器具有無(wú)限大的開(kāi)環(huán)增益和帶寬，其偏置電壓、輸入偏置電流、輸入噪聲和
電源電流都為零，它能夠在任意電源電壓下工作。既然它是真正完美的，那也應(yīng)該是免費(fèi)的。但這種完美的運(yùn)算放大器實(shí)際上根本不存在，也不可能存在。于是銷(xiāo)售商就提供了各種各樣的運(yùn)算放大器，每種都有各自不同的性能、特點(diǎn)和價(jià)格。了解放大器的最重要的參數(shù)，就能夠找到最合適的運(yùn)算放大器。
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。光接收機(jī)中的放大器就必須具有低偏置電壓和低輸入偏置電流。圖１所示為一種典型的結(jié)構(gòu)。
光電二極管的泄漏電流小于５nA，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。
在所有放大器中，斬波放大器提供了最低的偏置電壓和最低的隨溫度變化的偏置電壓漂移。許多重量計(jì)量設(shè)備對(duì)增益的要求高，需要配置高質(zhì)量的精密放大器，此時(shí)斬波放大器是一種很好的選擇。
注意電源的影響
便攜式系統(tǒng)中的放大器要求在很低的電源電壓下工作，且電源電流應(yīng)很小以盡量延長(zhǎng)
電池壽命。這些放大器一般還須有良好的輸出驅(qū)動(dòng)能力和高開(kāi)環(huán)增益。
盡管許多放大器的廣告號(hào)稱(chēng)消耗很小的電流，但在選用時(shí)仍應(yīng)小心。一定要認(rèn)真閱讀參數(shù)表以留心低電壓下工作可能引起的性能問(wèn)題。有些低功耗運(yùn)算放大器，當(dāng)輸出電壓改變時(shí)其電源電流具有較寬的變化范圍。在低電源電壓下，輸出電流驅(qū)動(dòng)能力也可能顯著下降�？刹殚唴�(shù)表以確定在特定的電源電壓下所能達(dá)到的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力。
另一種選擇是使用具有“關(guān)閉”特性的放大器。雖然這種放大器具有較高的電源電流，但當(dāng)不工作時(shí)能被關(guān)閉從而進(jìn)入超低電流狀態(tài)。較高的電源電流可使放大器具有較快的速度和很大的輸出驅(qū)動(dòng)能力。
音頻和視頻應(yīng)用中的噪聲/相位誤差
在音頻應(yīng)用中，運(yùn)算放大器主要有兩個(gè)作用：
麥克風(fēng)放大、耳機(jī)或揚(yáng)聲器輸出。這種音頻I/O組合在大多數(shù)蜂窩電話(huà)、
計(jì)算機(jī)、電視和家庭立體聲設(shè)備中應(yīng)用普遍。圖2示出了一種典型的PC音頻系統(tǒng)配置。
對(duì)麥克風(fēng)放大器的噪聲要求很高，這是因?yàn)榉糯笃髂芴峁?0dB到40dB的增益，它既能放大麥克風(fēng)的信號(hào)，也能放大任何來(lái)自運(yùn)放的噪聲。耳機(jī)和揚(yáng)聲器放大器必須能輸出大電流，因?yàn)榇蠖鄶?shù)耳機(jī)的阻抗在100歐姆或更小，大多數(shù)揚(yáng)聲器的阻抗是8 歐姆。
近年來(lái)
半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了快速放大器的出現(xiàn)。這些新的放大器使得設(shè)計(jì)者可以用高速運(yùn)放代替分立電路。視頻應(yīng)用電路即是一個(gè)很好的例子。
許多視頻應(yīng)用要求增益特性的相位誤差最小。相位誤差可導(dǎo)致色彩偏離和視覺(jué)失真。高速放大器在保持低相位誤差的同時(shí)，仍能獲得所要求的增益。大多數(shù)
高速運(yùn)算放大器的參數(shù)表都給出了相位誤差，應(yīng)該把各種運(yùn)算放大器的相位誤差做一個(gè)比較。
電流反饋放大器是現(xiàn)有的速度最高的放大器之一。由于這種放大器與電壓反饋放大器的工作方式不同，務(wù)必閱讀參數(shù)表中的應(yīng)用說(shuō)明以獲得最佳效果。
注意避免一些常見(jiàn)的錯(cuò)誤
運(yùn)算放大器參數(shù)表包含許多信息，但有時(shí)可能很難通過(guò)比較兩個(gè)參數(shù)表來(lái)確定哪種運(yùn)放性能更優(yōu)。輸入共模電壓范圍指標(biāo)即是一個(gè)例子。這個(gè)參數(shù)常被誤用。
為確保正常工作，要注意共模抑制比(CMRR)的測(cè)試條件。給出的測(cè)試條件表示共模輸入電壓范圍。軌-軌輸入放大器的共模輸入電壓范圍是從負(fù)電源(V-)到正電源(V+)。
與輸入電壓范圍不同，運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅并沒(méi)有清晰的定義。大多數(shù)單電源放大器參數(shù)表都給出了針對(duì)高、低兩種輸出擺幅下的電壓指標(biāo)。它表示當(dāng)放大器吸入和泵出電流時(shí)，放大器的輸出擺幅接近正電源和地的能力。可惜的是，一般無(wú)法根據(jù)不同廠商的參數(shù)表對(duì)這些數(shù)值進(jìn)行直接比較，因?yàn)椴煌墓⿷?yīng)商會(huì)以不同的方式定義輸出負(fù)載。 關(guān)鍵要看負(fù)載是電阻還是電流源。如果負(fù)載是電流源，那么可測(cè)量相似的負(fù)載電流，這樣就能很容易地比較不同放大器間的輸出電壓擺幅。若負(fù)載是電阻，則要判斷該電阻是與電源電壓VCC相連，還是與參考電壓Vcc/2相連，或是接地。 負(fù)載連接到Vcc/2將使放大器的輸出級(jí)可以泵出和吸入電流，但放大器的輸出電流相當(dāng)于負(fù)載接地或接到正電源情況下的一半。這種輸出電流的差別可使得運(yùn)算放大器的擺幅接近正負(fù)電源的值。這在某種程度上可能誤導(dǎo)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)單電源直流應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中，負(fù)載都直接接地，放大器輸出的擺幅達(dá)不到正電源的值。
電容驅(qū)動(dòng)能力是一個(gè)在參數(shù)表中經(jīng)常定義含糊的參數(shù)。所有的放大器對(duì)容性負(fù)載的靈敏度有不同程度的差別。一些低功耗放大器相對(duì)于僅僅幾百個(gè)皮法的容性負(fù)載就可能變得不穩(wěn)定。因此，這些放大器的參數(shù)表可能會(huì)隱藏這個(gè)事實(shí)。
要確定放大器對(duì)于輸出電容的靈敏度，可以通過(guò)相對(duì)于容性負(fù)載的過(guò)沖（overshoot）曲線圖來(lái)決定。另一個(gè)較好的示意圖是小信號(hào)響應(yīng)圖，可用來(lái)觀測(cè)過(guò)沖的程度和特定容性負(fù)載的下降時(shí)間。某些參數(shù)表還提供了相對(duì)容性負(fù)載的增益-帶寬示意圖。
減小過(guò)沖和阻尼振蕩的一個(gè)方法就是在輸出負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)串聯(lián)R-C網(wǎng)絡(luò)�？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定這個(gè)網(wǎng)絡(luò)(也稱(chēng)阻尼電路)的最佳值。也能在器件的應(yīng)用說(shuō)明中找到減小過(guò)沖和阻尼振蕩的其它方法。
CMOS與雙極型工藝技術(shù)的比較十年來(lái)，放大器工藝技術(shù)已取得了很大發(fā)展。了解不同工藝方法的優(yōu)點(diǎn)有助于運(yùn)算放大器的選擇。CMOS和互補(bǔ)雙極型是兩種最為流行的放大器工藝技術(shù)。
CMOS放大器工藝進(jìn)展較快。幾年以前只有幾家公司能提供采用CMOS工藝的低成本、低性能放大器。今天，大多數(shù)廠商都能供應(yīng)參數(shù)齊全、性能優(yōu)良的CMOS放大器。但偏置電壓漂移和速度仍是兩個(gè)較薄弱的環(huán)節(jié)。對(duì)于所選器件，帶寬低于10MHz時(shí)，偏置電壓漂移應(yīng)限制在略低于1mV。
CMOS工藝的主要優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格，起初是想用于大批量生產(chǎn)的數(shù)字產(chǎn)品，這種工藝有助于降低中等性能的放大器價(jià)格。CMOS工藝提供的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是運(yùn)算放大器的輸入偏置電流特別小，在皮安培（pA）級(jí)。這對(duì)于高電源阻抗的應(yīng)用特別重要，例如光接收機(jī)中的光電二極管放大器，或耗電盡可能小的電池監(jiān)測(cè)器。
或許CMOS放大器的主要局限是其最大和最小電源電壓。由于其幾何形狀較小，
晶體管擊穿電壓也減小了。大多數(shù)CMOS放大器必須在6V或更低的電壓下工作。對(duì)多數(shù)低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這不成問(wèn)題，但某些便攜式應(yīng)用卻是例外。一個(gè)例子就是電池監(jiān)視，電池電源電壓變化很大，可以從滿(mǎn)充狀態(tài)的5V到接近耗盡時(shí)的2.2V。然而，若電池連接到充電器上，電源電壓有可能增加到12V。
雙極型工藝通常允許較高的電源電壓。由于雙極型
晶體管的寬動(dòng)態(tài)范圍，其工作電壓容易做到比CMOS放大器更低。在低功耗、低漂移、噪聲和速度等方面，雙極型工藝都很出色，所以它不僅是一種大有發(fā)展前途的工藝，還是一種能滿(mǎn)足各種性能放大器要求的工藝。
也有將兩種工藝結(jié)合到一起的工藝技術(shù)，如互補(bǔ)雙極互補(bǔ)CMOS(CBCMOS)。這種“混合” 工藝技術(shù)的構(gòu)想是將每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)都集中到運(yùn)算放大器上。例如，ADI的OP186就采用了一個(gè)雙極型輸入級(jí)來(lái)將噪聲和漂移減至最小，同時(shí)在輸出級(jí)采用CMOS晶體管來(lái)改善輸出驅(qū)動(dòng)性能而無(wú)需增加器件尺寸。
在低電壓下工作且具有良好性能的運(yùn)算放大器，仍將主要采用雙極型工藝。在主要考慮成本因素的場(chǎng)合，可以采用CMOS工藝。在成本不變的情況下，性能將持續(xù)不斷地提高。隨著工藝技術(shù)的改進(jìn)，CMOS的速度將逐漸提高，其精度也將通過(guò)工藝和電路技術(shù)的改進(jìn)而提高。
SpICe輔助設(shè)計(jì)
選定所需要的運(yùn)算放大器以后，最好能在計(jì)算機(jī)上利用Spice仿真器來(lái)模擬電路的設(shè)計(jì)。這樣可在電路制做出來(lái)之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。多數(shù)廠商都提供其運(yùn)放產(chǎn)品的Spice宏模型，可準(zhǔn)確反映運(yùn)算放大器的參數(shù)表中幾種指標(biāo)的特性。這些模型也可從廠商的Web站點(diǎn)免費(fèi)下載。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)仿真并不能保證電路設(shè)計(jì)的成功，但它能快速地反映出設(shè)計(jì)結(jié)果的性能優(yōu)良程度。
