,,

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(wèn)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(méi)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(lè)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(méi)有嵌位二極管?？梢杂谩＃?/div>

-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