1、運(yùn)放簡(jiǎn)介,儲(chǔ)浙榮 2017.5,2,內(nèi)容,運(yùn)放參數(shù)分析 對(duì)數(shù)放大器電路設(shè)計(jì)分析,3,理想運(yùn)放 Ideal operationalamplifier 定義：輸入阻抗無(wú)窮大、輸出阻抗為零、開(kāi)環(huán)增益無(wú)窮大、輸入偏置電流為零、輸入失調(diào)電流及其溫漂為零、增益帶寬積無(wú)窮等,4,1.輸入失調(diào)電壓 Vos（Input offset voltage） 定義：開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，為使運(yùn)放輸出電壓為零，在運(yùn)放兩個(gè)輸入端需加一個(gè)小電壓，施加在兩個(gè)輸入端電壓之差即為輸入失調(diào)電壓 來(lái)源：由于制造工藝原因運(yùn)放的兩個(gè)輸入極的管子不匹配 影響：造成運(yùn)放輸入誤差 輸入失調(diào)電壓不是固定的，后面會(huì)講到它的影響因素,5,2.電源抑制比 PSR

2、R（Power-supply rejection ratio） 定義：當(dāng)運(yùn)放供電電壓變化時(shí)，會(huì)引起運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓變化，兩者之比即為運(yùn)放電源抑制比。單位uV/V，也有用dB表示的，即將結(jié)果取對(duì)數(shù)運(yùn)算（ PSRR=20*log10(Vsupply / Vos) ） 來(lái)源：也是由于制造工藝原因運(yùn)放的兩個(gè)輸入極的管子不匹配 影響：PSRR體現(xiàn)著運(yùn)放對(duì)電源噪聲的抑制能力，這個(gè)抑制能力管控著電源噪聲對(duì)輸入失調(diào)電壓的影響,6,說(shuō)明： 1、uV/V與dB定義時(shí)分子分母是調(diào)過(guò)來(lái)的，即uV/V為單位時(shí)數(shù)值越小PSRR越好，dB定義時(shí)數(shù)值越大PSRR越好； 2、數(shù)據(jù)表中給出的其實(shí)是DC-PSRR，AC-PSRR

3、要看數(shù)據(jù)手冊(cè)后面的圖表。,7,3.輸入偏置電流和失調(diào)電流 IB(Input bias current) / IOS (offset current) 定義：運(yùn)放兩個(gè)輸入極漏電流的平均值與兩個(gè)輸入極漏電流之差 來(lái)源：由于制造工藝原因運(yùn)放的兩個(gè)輸入極的三極管或場(chǎng)效應(yīng)管的ESD保護(hù)二極管無(wú)法做到完全匹配 影響：輸入偏置電流流經(jīng)外面電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)轉(zhuǎn)化成失調(diào)電壓，造成輸入誤差。這兩個(gè)參數(shù)在微小電流檢測(cè)電路應(yīng)用中需要特別關(guān)注，如光電二極管的流壓轉(zhuǎn)換電路。,8,4.噪聲 Noise 定義：噪聲的重要特性之一就是其頻譜密度。電壓噪聲頻譜密度是指每平方根赫茲的有效(RMS) 噪聲電壓（單位為nV/rt-Hz）。 來(lái)

4、源：輸入電壓噪聲（EN）、輸入電流噪聲（IN）、設(shè)置放大倍數(shù)的電阻R1 和 Rf 的熱噪聲Noise =(4kTKRf) 噪聲分析：運(yùn)放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲在在極低頻(0.1Hz-10Hz)時(shí)主要是 1/f 噪聲，該區(qū)的頻譜密度圖并不平坦。以后主要是白噪聲，該區(qū)的頻譜密度圖較平坦（所有頻率的能量基本相同）。一般數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)給出兩張圖說(shuō)明。,9,關(guān)于噪聲的文章 運(yùn)算放大器噪聲介紹(一) 運(yùn)算放大器噪聲介紹(二) 噪聲計(jì)算小工具 ,10,5.共模抑制比 CMRR（Common-mode rejection ratio） 定義：差模增益與共模增益的比值，通常用dB表示，即將結(jié)果取對(duì)數(shù)運(yùn)算了。（

5、 CMRR=20*log10(Adm / Acm) ） 來(lái)源：由于生產(chǎn)工藝原因現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)放的共模增益不為零。具體體現(xiàn)在源極或漏極電阻的不匹配、柵極-漏極之間的結(jié)電容、正向跨導(dǎo)的不匹配、柵極漏電流、拖尾電流源的輸出阻抗等 影響：由于 CMRR 是有限值， 當(dāng)運(yùn)放輸入端有共模電壓Vcm 時(shí)， 它會(huì)引入一個(gè)輸入失調(diào)電壓。,11,當(dāng)共模電壓為 5V 時(shí)，這個(gè)失調(diào)電壓為1.58uV。對(duì)于上圖中的 G=2 的電路，則輸出端誤差為 3.16uV。這對(duì)于基準(zhǔn)源為 2.5V，雙極性輸入的 24 位 ADC 來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于引起了11 個(gè) LSB 的直流誤差了，直接影響到最后四位的精度了！因此對(duì)于高精度的應(yīng)用要特別注

6、意共模抑制比這個(gè)參數(shù)。,下面以O(shè)PA388為例計(jì)算共模抑制比帶來(lái)的誤差。,12,運(yùn)放的CMRR還受外界條件的影響。從參數(shù)表中可直觀的看到是共模電壓范圍和溫度，實(shí)際上還有輸入的頻率影響也挺大。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)須注意共模電壓范圍、溫度和頻率。,13,6.開(kāi)環(huán)增益 AOL（Open-loop voltage gain） 定義：開(kāi)環(huán)狀態(tài)下（不具有負(fù)反饋）運(yùn)放的放大倍數(shù) 影響：低開(kāi)環(huán)增益的運(yùn)放會(huì)造成設(shè)計(jì)好放大倍數(shù)的電路帶來(lái)誤差,14,下面以O(shè)PA388為例設(shè)計(jì)成同相放大器來(lái)計(jì)算開(kāi)環(huán)增益帶來(lái)的誤差。 考慮開(kāi)環(huán)增益，則電壓增益公式為：,將OPA388的Avol 典型值148dB和最小值120dB分別代入計(jì)算

7、得： 100.997964；100.9898 誤差分別為：,誤差提高了一位！,15,運(yùn)放的AOL受外界條件的影響。從參數(shù)表中可直觀的看到是輸出電壓范圍、溫度和負(fù)載大小，實(shí)際上還和輸入信號(hào)頻率有關(guān)（其實(shí)就是運(yùn)放的另一個(gè)重要參數(shù)增益帶寬積）。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)須注意輸出電壓范圍、溫度、負(fù)載和頻率。,16,7.增益帶寬積 GBW（Gain bandwidth product） 定義：放大器帶寬和帶寬增益的乘積 來(lái)源：對(duì)于單極點(diǎn)響應(yīng)，開(kāi)環(huán)增益以6dB/倍頻程下降，即頻率增加一倍，增益會(huì)下降兩倍，反之，頻率減半，則開(kāi)環(huán)增益增加一倍，于是就產(chǎn)生了所謂的增益帶寬積。 影響：超過(guò)增益帶寬積值的信號(hào)輸入會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放

8、輸出增益下降，從而導(dǎo)致運(yùn)算不正確,17,注意：增益帶寬積的值是有隱含條件的，就是必須在小信號(hào)（mV級(jí)）下的帶寬，但我們實(shí)際應(yīng)用會(huì)將信號(hào)放大，輸出往往達(dá)到幾伏左右。所以會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，理論計(jì)算明明帶寬夠的，實(shí)際電路中測(cè)試卻不夠！原因在于大信號(hào)帶寬還要關(guān)注另一個(gè)參數(shù)壓擺率。,18,8.壓擺率 SR（Slew rate） 定義：運(yùn)放輸出電壓的最大轉(zhuǎn)換速率，數(shù)學(xué)表達(dá)式：(dV/dt)max單位V/us 來(lái)源：運(yùn)放內(nèi)部第二級(jí)密勒電容的充電過(guò)程的快慢決定了壓擺率的大小 影響：直觀的影響就是使輸出信號(hào)的上升或下降的時(shí)間延長(zhǎng)，從而引起失真,19,以O(shè)PA333為例討論壓擺率對(duì)增益帶寬積的影響。數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的增

9、益帶寬積為350KHz，增益為10時(shí)理論上帶寬可以達(dá)到35KHz，但根據(jù)實(shí)際測(cè)試波形，在頻率24KHz時(shí)輸出信號(hào)已經(jīng)失真！,20,在壓擺率基礎(chǔ)上引申一個(gè)新概念全功率帶寬（FPBW），為數(shù)學(xué)推導(dǎo)值，并非運(yùn)放自帶的實(shí)際參數(shù)，數(shù)據(jù)手冊(cè)上也沒(méi)有，卻對(duì)壓擺率選擇有重要參考價(jià)值。 對(duì)于一個(gè)正弦波信號(hào)，可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示： 輸出電壓對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得： 則最大值為： (dV/dt)max即表示壓擺率，可以看出最大值跟信號(hào)的頻率與幅值有關(guān)。,21,若Vp是運(yùn)放輸出的滿(mǎn)幅度值，則f為全功率帶寬，上述公式表示為 如果想在100KHz以?xún)?nèi)得到正弦波的 10V振幅，按照公式需要壓擺率為6.3V/us 以上的運(yùn)放。 滿(mǎn)

10、功率帶寬由壓擺率和輸出信號(hào)的幅值決定的。也就是壓擺率一定的情況下，輸出信號(hào)的幅值越大，全功率帶寬越小。這也就可以解釋為什么理論計(jì)算帶寬夠的情況下實(shí)際運(yùn)放輸出還會(huì)失真。,22,9.總諧波失真+噪聲 THD+N（Total harmonic distortion+noise） 定義：輸出信號(hào)比輸入信號(hào)多出的所有諧波成份加噪聲的均方根值與輸入信號(hào)基波的均方根值之比。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： 其中(Vi) 為失真諧波的電平，(Vn) 為噪聲電壓，(Vf)輸入信號(hào)的電平 來(lái)源：由系統(tǒng)內(nèi)部非線(xiàn)性效應(yīng)造成,23,實(shí)際測(cè)試時(shí)，一般只測(cè)試前5次諧波（26次），因?yàn)榍?次包含了大部分能量，6次以上的諧波占總諧波的比率已經(jīng)

11、非常小了。 一般來(lái)說(shuō)，總諧波失真在1KHz附近最小，所以大部分運(yùn)放總諧波失真是用1KHz信號(hào)做測(cè)試。實(shí)際上THD+N與輸入信號(hào)的頻率、運(yùn)放設(shè)計(jì)增益、負(fù)載等有關(guān)。 實(shí)際使用中關(guān)于THD+N兩點(diǎn)提示： 1、數(shù)據(jù)手冊(cè)中THD+N是在增益為1，頻率1KHz時(shí)測(cè)定的，數(shù)據(jù)比較好，但我們實(shí)際使用增益變大、頻率變大時(shí)THD+N惡化是必然的。 2、目前許多運(yùn)放號(hào)稱(chēng)軌至軌輸入輸出，當(dāng)信號(hào)接近電源軌時(shí)會(huì)受非線(xiàn)性效應(yīng)影響， THD+N也會(huì)惡化，因此盡量避免使輸出信號(hào)太接近電源軌。,24,10.建立時(shí)間 Setting time 定義：當(dāng)運(yùn)放輸入階躍信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸出響應(yīng)進(jìn)入并保持在規(guī)定誤差帶所需的時(shí)間。這個(gè)誤差常見(jiàn)的值為0.1%，0.01% 來(lái)源：運(yùn)放運(yùn)階躍信號(hào)的響應(yīng)是一個(gè)含有過(guò)沖和振鈴的二階響應(yīng) 影響：如果驅(qū)動(dòng) ADC 的運(yùn)放還沒(méi)有達(dá)到最終的穩(wěn)定值就被ADC 采樣了。這會(huì)