1、1,運(yùn)放比較器基礎(chǔ)培訓(xùn),物料品質(zhì)部IC組 朱吉新,2,運(yùn)放基礎(chǔ)知識(shí),一、運(yùn)放基本結(jié)構(gòu) 二、運(yùn)放主要參數(shù) 三、運(yùn)放的分類 四、運(yùn)放的選用指導(dǎo) 五、CFA及案例介紹 六、業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)及我司供應(yīng)商 注：由于比較器同運(yùn)放很類似，本課程以運(yùn)放為主，比較器主要側(cè)重應(yīng)用。,3,一、運(yùn)放基本結(jié)構(gòu),運(yùn)算放大器是一個(gè)高放大倍數(shù)的直流耦合放大器。 三個(gè)部分 1、高阻抗的差分輸入級(jí) 2、高放大倍數(shù)的中間級(jí) 3、低阻抗輸出級(jí),4,運(yùn)放基本結(jié)構(gòu)：高阻抗的差分輸入級(jí),不同運(yùn)放主要表現(xiàn)在輸入級(jí)，對(duì)運(yùn)放技術(shù)要求也主要表現(xiàn)在輸入級(jí)。輸入級(jí)的差分對(duì)稱性，決定了運(yùn)放的很多參數(shù)：輸入失調(diào)，輸入偏置，輸入共模電壓和共模抑制能力，輸入阻抗

2、等參數(shù)。,5,運(yùn)放基本結(jié)構(gòu)：高放大倍數(shù)的中間級(jí),主要是基本的偏置設(shè)置，相位補(bǔ)償，高的放大倍數(shù),6,運(yùn)放基本結(jié)構(gòu)：低阻抗輸出級(jí),輸出級(jí)主要提供一定的輸出功率，輸出保護(hù)等。輸出級(jí)一般采用對(duì)管的形式，內(nèi)部串入保護(hù)電阻，LM358，TL082內(nèi)部還有過流保護(hù)使輸出電壓降低，OP07采用電阻限流的方法。,7,二、運(yùn)放的主要參數(shù),運(yùn)放的參數(shù)很多（26項(xiàng)），有但實(shí)際應(yīng)用中，主要關(guān)心下面幾個(gè)參數(shù) A、失調(diào)電壓 B、失調(diào)電流和偏置電流 C、最大共模輸入電壓 D、增益帶寬和轉(zhuǎn)換速率(SR) E、電源紋波抑制比,8,運(yùn)放的主要參數(shù)A：失調(diào)電壓,失調(diào)電壓是指使輸出電壓為零時(shí)，兩輸入端間所加的直流補(bǔ)償電壓。 實(shí)際應(yīng)用中

3、表現(xiàn)輸入為零時(shí)輸出電壓的大小，一般通過間接計(jì)算和測(cè)量。 下圖中Vin=0時(shí)，Vo=Vio(R+Rf)/R Vio=Vo.R/(R+Rf),9,運(yùn)放的主要參數(shù)B：失調(diào)和偏置電流,偏置電流：使輸出電壓為零（或規(guī)定值）時(shí)，流入兩輸入端的電流的平均值。 失調(diào)電流：使輸出電壓為零（或規(guī)定值）時(shí)，流入兩輸入端的電流之差。 通用運(yùn)放的失調(diào)電流在nA級(jí)，JFET運(yùn)放為pA級(jí)。在一些實(shí)際應(yīng)用中，可采用降低外圍電阻的方法減少偏置的影響,10,運(yùn)放的主要參數(shù)C：最大共模輸入電壓,比規(guī)定的共模抑制比下降6dB時(shí)的共模輸入電壓。 主要表現(xiàn)輸出最高時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。一般通用運(yùn)放最大共模電壓為Vcc-1.5V。,11,單位

4、增益帶寬fBWG：開環(huán)增益為1(0dB)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率,運(yùn)放的主要參數(shù)D：增益帶寬和SR,12,運(yùn)放的主要參數(shù)D：增益帶寬和SR,輸出轉(zhuǎn)換速率SR：輸入端在施加規(guī)定的大信號(hào)階躍脈沖電壓時(shí)，輸出電壓隨時(shí)間的最大變化率。對(duì)于做小信號(hào)比較器應(yīng)用時(shí)，當(dāng)壓差同失調(diào)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)換速率很低，一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間可能到達(dá)10mS以上。 單位增益帶寬主要是小信號(hào)指標(biāo)，輸出轉(zhuǎn)換速率主要是大信號(hào)指標(biāo)。此兩個(gè)參數(shù)都是衡量器件速度的指標(biāo)。,13,運(yùn)放的主要參數(shù)E：電源紋波抑制比,TL082,LM358,OP07,Vcc(紋波)比較圖。,Vcc,OP07,LM358,TL082,14,運(yùn)放的主要參數(shù),前面講了運(yùn)放的主要參

5、數(shù)，下面我們從一個(gè)實(shí)際的資料看運(yùn)放的參數(shù)。 有些參數(shù)廠家沒有給出具體的數(shù)據(jù)，只給一些特性曲線。,15,三、運(yùn)放的分類,分類1：運(yùn)放根據(jù)供電電壓特點(diǎn)可分為 雙電源運(yùn)放 單電源運(yùn)放 分類2、應(yīng)用場(chǎng)合和部分參數(shù)特點(diǎn)可分為： 1、通用運(yùn)放 2、精密運(yùn)放 5、R2R運(yùn)放 3、儀表運(yùn)放 4、高速運(yùn)放,16,運(yùn)放的分類1：?jiǎn)坞娫春碗p電源運(yùn)放,由于運(yùn)放內(nèi)部主要是采用電流源方式，在正常工作區(qū)間，其Icc隨電源電壓變化很小。 雙電源運(yùn)放就是需要正負(fù)電源供電，如15V供電, 單電源供電就是可直接用單電源供電，如15V供電。,17,運(yùn)放的分類1：?jiǎn)坞娫春碗p電源運(yùn)放,單電源運(yùn)放也可正負(fù)電壓供電 雙電源可工作在不對(duì)稱電源

6、方式下，如+15,-5V.但不對(duì)稱條件下，失調(diào)可能有一些小的變化。,18,運(yùn)放的分類2：通用/精密/R2R/儀表/高速,通用運(yùn)放:主要指一些標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)放，很常用的運(yùn)放，如LM358,OP07等，他們具有標(biāo)準(zhǔn)的管腳兼容結(jié)構(gòu)，在有些情況下，不同廠家的型號(hào)可直接替換使用。 精密運(yùn)放：主要是指失調(diào)電壓和失調(diào)電流比較小的運(yùn)放，如OP07。但其沒有嚴(yán)格的界限。,19,運(yùn)放的分類2：通用/精密/R2R/儀表/高速,R2R運(yùn)放：R2R運(yùn)放是低功耗低電壓下發(fā)展起來的運(yùn)放，其主要是共模電壓同Vcc/Vee相同或很接近Vcc/Vee,輸出最大幅度也很接近Vcc/Vee. 在相同的Vcc條件下，能提供較寬輸入輸出范圍。

7、 TL082,LM358,MC33202輸入輸出特性比較,20,運(yùn)放的分類2：通用/精密/R2R/儀表/高速,儀表運(yùn)放：儀表運(yùn)放主要針對(duì)儀表類的信號(hào)采樣放大而開發(fā)的運(yùn)放，其一般采用兩運(yùn)放或三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。此運(yùn)放具有較高共模抑制比，其兩端都可工作在高共模狀態(tài)下。 高速運(yùn)放：主要是其帶寬和轉(zhuǎn)換速率SR高。適合高速信號(hào)放大處理。,21,選型： 我司的運(yùn)放編碼很多，但主要用的還是358系列運(yùn)放，這主要是由我司的產(chǎn)品特點(diǎn)決定的。一般的應(yīng)用新設(shè)計(jì)推薦LM2904(MSO8)，LM224A。LM2904（SO8)，LM358A可繼續(xù)使用。高精度的OP07可繼續(xù)使用,也可考慮雙路的OP2177，高精度運(yùn)放。速度稍

8、高的可用MC33172, TL082(B), TL084(B)。具體的選型可附件。,四、運(yùn)放的選用指導(dǎo),22,四、運(yùn)放的選用指導(dǎo)(運(yùn)放規(guī)劃方向）,23,四、運(yùn)放的選用指導(dǎo)(比較器規(guī)劃方向）,24,四、運(yùn)放的選用指導(dǎo),應(yīng)用： 運(yùn)放的應(yīng)用相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但應(yīng)用中需要注意一些技巧。 1）小信號(hào)處理 2）比較應(yīng)用 3) 閉環(huán)應(yīng)用 4）端口保護(hù) 5）器件放置規(guī)則,25,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,運(yùn)放的選取原則: 信號(hào)最大幅度與失調(diào)的可比性。例如檢測(cè)信號(hào)最大為75mV，選LM358，最大失調(diào)電壓7mV，誤差可達(dá)到10%。如果選LM358A，失調(diào)最大3mV，最大誤差為4%，對(duì)于一般要求，LM358A的性價(jià)

9、比較好。對(duì)精度要求很高的可選擇OP07。,26,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,比例電阻的選擇： 偏置電流在比例臂上形成偏置電壓，導(dǎo)致輸入端形成偏置誤差。 Vib=Iib*R=100K*50nA=5mV.(100K電阻，LM358運(yùn)放） 一般可選擇10K100K之間的電阻。,27,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,補(bǔ)償電阻的選擇： 加偏置電阻可抵消偏置電流的影響。補(bǔ)償電阻大小和比例電阻的等效阻抗相同。但實(shí)際應(yīng)用可根據(jù)運(yùn)放特性和需求，可適當(dāng)?shù)倪x擇,也可直接接地。,28,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,正向放大設(shè)計(jì)：正向放大后，信號(hào)被放大，相序不變，輸入阻抗高。 反相放大設(shè)計(jì)：信號(hào)放大，相序倒相（180度

10、），輸入阻抗低。 注意一般運(yùn)放的輸出不要對(duì)地直接并接電容，否則容易引起輸出振蕩。,29,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,差分衰減和差分放大 直流偏置：,30,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,交流整流檢測(cè)（1）,Vx1,Vx2,Vo,VX1=VX2=-2/3VINA,31,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,交流整流檢測(cè)（2）,32,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,信號(hào)隔離傳輸 從實(shí)際測(cè)試看，前面的穩(wěn)定性優(yōu)于后面一種,33,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,儀表運(yùn)放的應(yīng)用注意 當(dāng)輸入信號(hào)浮空時(shí)，需要在輸入端并聯(lián)適當(dāng)?shù)钠胶怆娮瑁档洼斎攵说墓材ｋ妷骸?34,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,信號(hào)的軟件校正 軟件校正技

11、術(shù)的引入能大大降低對(duì)運(yùn)放失調(diào)電壓，失調(diào)電流，外圍電阻等參數(shù)的依耐，同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本。 VO=G*(Vi+Voffset) =G*Vi+K 一般選取零點(diǎn)和額定點(diǎn)作為校正點(diǎn)。,35,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)1:小信號(hào)處理,電阻匹配問題 當(dāng)運(yùn)放的輸出信號(hào)進(jìn)入DSP ADC 采樣時(shí)，需要加匹配電阻降低ADC采樣保持器對(duì)運(yùn)放輸出的影響。需要根據(jù)具體的DSP情況確定匹配電阻。,36,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)2:比較應(yīng)用,1、只適合低速應(yīng)用。運(yùn)放延時(shí)大，速率SR低，只適合低速應(yīng)用 2、需要設(shè)置回滯特性。 3、并聯(lián)需要二極管隔離。 4、注意輸出結(jié)構(gòu)同比較器有差別,37,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)2:比較應(yīng)用,實(shí)例分析1：過溫保護(hù)。 采用電阻

12、橋特性比較，省去比較基準(zhǔn)。 比較應(yīng)用中，對(duì)于低速應(yīng)用，一般都要求加一定的回滯特性（正反饋），使保護(hù)信號(hào)穩(wěn)定，不至于出現(xiàn)來回抖動(dòng)。,38,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)2:比較應(yīng)用,實(shí)例分析2：關(guān)閉PWM。 用于控制UC3843的Comp,容易出現(xiàn)不能鎖定輸出的情況,0.7V,1.4V,39,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)2:比較應(yīng)用,實(shí)例分析3：電源時(shí)序問題。 副邊電源滯后原邊，當(dāng)副邊電源工作在3V以下時(shí)，運(yùn)放的輸出狀態(tài)不定，可能導(dǎo)致誤動(dòng)作。,40,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)3:環(huán)路應(yīng)用,采用PID控制，其電路基本相同，主要考慮調(diào)整外圍參數(shù)。,41,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)4:端口保護(hù),在不同的單板，不同的電壓之間要有限流（R+D)保護(hù)。,42,

13、運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)5:器件放置規(guī)則,1、旁路電容盡量靠近VCC,GND，減小等效阻抗。 2、減少外圍器件，輸出的環(huán)路面積。 3、遠(yuǎn)離開關(guān)點(diǎn)，遠(yuǎn)離電感和變壓器，必要時(shí)需要用地線屏蔽分隔。 4、減小公共阻抗，注意模擬低和功率地分布。 5、對(duì)于小信號(hào)，大電流信號(hào)的采樣放大，注意大面積覆銅。 6、盡量避免大面積器件直接接觸運(yùn)放的輸入端口。,43,運(yùn)放的應(yīng)用指導(dǎo)5:器件放置規(guī)則,44,五、CFA及案例介紹,運(yùn)放的技術(shù)和應(yīng)用很成熟，并且其主要處理一些低功率的信號(hào)，其在應(yīng)用中失效率相對(duì)小。幾種失效模式： 輸入端口過壓擊穿 此情況主要是輸入端口的過電壓浪涌導(dǎo)致端口失效 Vcc-GND過壓擊穿 主要是Vcc過電壓，

14、導(dǎo)致內(nèi)部Vcc部位的擊穿短路 過流保護(hù)不能滿足要求 運(yùn)放作比較器或電流環(huán)應(yīng)用時(shí)，電流限制點(diǎn)不穩(wěn)定或一致性比較差等，此主要是失調(diào)電壓或偏置電流影響導(dǎo)致。 抗干擾能力 應(yīng)用中反饋有些廠家的運(yùn)放抗干擾能力差的，此可能同布線有關(guān)。,45,五、CFA及案例介紹,輸入端口過壓擊穿 此失效是BMP電源多次重復(fù)，多個(gè)產(chǎn)品出現(xiàn)的。,46,五、CFA及案例介紹,此明顯的是PIN5端口過電壓應(yīng)力。測(cè)試工裝引入的過電應(yīng)力。,47,五、CFA及案例介紹,Vcc過壓燒毀 表現(xiàn)VCC-GND短路，或工作電流過大。,48,五、CFA及案例介紹,異常翻轉(zhuǎn) 輸入負(fù)壓導(dǎo)致輸出異常翻轉(zhuǎn) 輸出負(fù)壓導(dǎo)致輸出異常翻轉(zhuǎn),49,六、業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)和我司供應(yīng)商；,由于運(yùn)放的結(jié)構(gòu)比較標(biāo)準(zhǔn)，新的運(yùn)放主要以低功耗，小封裝方向發(fā)展。由于OP07系列，LM358，TL08X系列的運(yùn)