运放的选择

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1、运算放大器的选择要考虑下面几个因素1、信号源的性质2、负载的性质3、精度要求4、环境条件信号源的性质：根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围等，选择 运放的差模输入电阻、-3dB带宽（或单位增益带宽）、转换速率SR等指标参数。负载的性质：根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值。 精度要求：对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往提出精度要求；如电压比较，往往提出响应时间、 灵敏度要求。根据这些要求选择运放的开环差模增益、失调电压、失调电流及转换速率SR等指标参数。 环境条件：根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的失调电压及失调电流的温漂；根据

2、所提供能提供的电源选择 运放的电源电压；根据对功耗的限制，选择运放的功耗等等运算放大器的选择偏置电压和输入偏置电流注意电源的影响音频和视频应用中的噪声 /相位误差 注意避免一些常见的错误Spice 辅助设计偏置电压和输入偏置电流在精密电路设计中，偏置电压是一个关键因素。对于那些经常被忽视的参数，诸如随温度而变化 的偏置电压漂移和电压噪声等，也必须测定。精确的放大器要求偏置电压的漂移小于200p V和 输入电压噪声低于6 nV/ JHz。随温度变化的偏置电压漂移要求小于1 p V/C。低偏置电压的指标在高增益电路设计中很重要， 因为偏置电压经过放大可能引起大电压输出， 并 会占据输出摆幅的一大部

3、分。温度感应和张力测量电路便是利用精密放大器的应用实例。低输入偏置电流有时是必需的。光接收机中的放大器就必须具有低偏置电压和低输入偏置电流。 图1所示为一种典型的结构。光电二极管的泄漏电流小于5 nA，所以放大器必须具有更小的输入 偏置电流。CMOS和JFET输入放大器是目前可用的具有最小输入偏置电流的运算放大器。在所有放大器中，斩波放大器提供了最低的偏置电压和最低的随温度变化的偏置电压漂移。 许多 重量计量设备对增益的要求高，需要配置高质量的精密放大器，此时斩波放大器是一种很好的选 择。注意电源的影响便携式系统中的放大器要求在很低的电源电压下工作，且电源电流应很小以尽量延长电池寿命。 这些放

4、大器一般还须有良好的输出驱动能力和高开环增益。尽管许多放大器的广告号称消耗很小的电流， 但在选用时仍应小心。一定要认真阅读参数表以留 心低电压下工作可能引起的性能问题。有些低功耗运算放大器，当输出电压改变时其电源电流具 有较宽的变化范围。在低电源电压下，输出电流驱动能力也可能显著下降。 可查阅参数表以确定 在特定的电源电压下所能达到的输出电流驱动能力。另一种选择是使用具有“关闭”特性的放大器。虽然这种放大器具有较高的电源电流， 但当不工 作时能被关闭从而进入超低电流状态。较高的电源电流可使放大器具有较快的速度和很大的输出 驱动能力。音频和视频应用中的噪声 /相位误差在音频应用中，运算放大器主要

5、有两个作用：麦克风放大、耳机或扬声器输出。这种音频 I/O 组合在大多数蜂窝电话、计算机、电视和家庭立体声设备中应用普遍。图 2 示出了一种典型的 PC 音频系统配置。对麦克风放大器的噪声要求很高，这是因为放大器能提供20dB到40dB的增益，它既能放大麦克 风的信号，也能放大任何来自运放的噪声。耳机和扬声器放大器必须能输出大电流，因为大多数 耳机的阻抗在100 欧姆或更小，大多数扬声器的阻抗是 8 欧姆。近年来半导体技术的发展导致了快速放大器的出现。这些新的放大器使得设计者可以用高速运放 代替分立电路。视频应用电路即是一个很好的例子。许多视频应用要求增益特性的相位误差最小。 相位误差可导致色

6、彩偏离和视觉失真。 高速放大器 在保持低相位误差的同时，仍能获得所要求的增益。大多数高速运算放大器的参数表都给出了相 位误差，应该把各种运算放大器的相位误差做一个比较。电流反馈放大器是现有的速度最高的放大器之一。由于这种放大器与电压反馈放大器的工作方式 不同，务必阅读参数表中的应用说明以获得最佳效果。注意避免一些常见的错误 运算放大器参数表包含许多信息，但有时可能很难通过比较两个参数表来确定哪种运放性能更 优。输入共模电压范围指标即是一个例子。这个参数常被误用。为确保正常工作，要注意共模抑制比(CMRR)的测试条件。给出的测试条件表示共模输入电压范围。 轨-轨输入放大器的共模输入电压范围是从负

7、电源(V-)到正电源(V+)。与输入电压范围不同，运算放大器的输出电压摆幅并没有清晰的定义。 大多数单电源放大器参数 表都给出了针对高、低两种输出摆幅下的电压指标。它表示当放大器吸入和泵出电流时， 放大器 的输出摆幅接近正电源和地的能力。可惜的是，一般无法根据不同厂商的参数表对这些数值进行 直接比较，因为不同的供应商会以不同的方式定义输出负载。关键要看负载是电阻还是电流源。 如果负载是电流源，那么可测量相似的负载电流， 这样就能很容易地比较不同放大器间的输出电 压摆幅。若负载是电阻，则要判断该电阻是与电源电压Vcc相连，还是与参考电压Vcc/2相连, 或是接地。负载连接到 Vcc/2 将使放大

8、器的输出级可以泵出和吸入电流， 但放大器的输出电流相 当于负载接地或接到正电源情况下的一半。这种输出电流的差别可使得运算放大器的摆幅接近正 负电源的值。这在某种程度上可能误导， 因为在大多数单电源直流应用电路设计中，负载都直接 接地，放大器输出的摆幅达不到正电源的值。电容驱动能力是一个在参数表中经常定义含糊的参数。所有的放大器对容性负载的灵敏度有不同 程度的差别。一些低功耗放大器相对于仅仅几百个皮法的容性负载就可能变得不稳定。 因此，这 些放大器的参数表可能会隐藏这个事实。要确定放大器对于输出电容的灵敏度，可以通过相对于容性负载的过冲( overshoot )曲线图来 决定。另一个较好的示意图

9、是小信号响应图，可用来观测过冲的程度和特定容性负载的下降时间。 某些参数表还提供了相对容性负载的增益 -带宽示意图。减小过冲和阻尼振荡的一个方法就是在输出负载上并联一个串联 R-C 网络。可通过实验来确定这 个网络(也称阻尼电路)的最佳值。也能在器件的应用说明中找到减小过冲和阻尼振荡的其它方 法。CMOS 与双极型工艺技术的比较十年来，放大器工艺技术已取得了很大发展。了解不同工艺方法 的优点有助于运算放大器的选择。 CMOS 和互补双极型是两种最为流行的放大器工艺技术。CMOS 放大器工艺进展较快。几年以前只有几家公司能提供采用 CMOS 工艺的低成本、低性能放大 器。今天，大多数厂商都能供应

10、参数齐全、性能优良的 CMOS 放大器。但偏置电压漂移和速度仍 是两个较薄弱的环节。对于所选器件，带宽低于 10MHz 时，偏置电压漂移应限制在略低于 1mV。CMOS 工艺的主要优势在于价格，起初是想用于大批量生产的数字产品，这种工艺有助于降低中 等性能的放大器价格。 CMOS 工艺提供的技术优势是运算放大器的输入偏置电流特别小，在皮安 培(pA)级。这对于高电源阻抗的应用特别重要，例如光接收机中的光电二极管放大器，或耗电 尽可能小的电池监测器。或许CMOS放大器的主要局限是其最大和最小电源电压。由于其几何形状较小，晶体管击穿电压也减小了。大多数 CMOS 放大器必须在 6V 或更低的电压下

11、工作。对多数低功耗应用来说， 这不成 问题，但某些便携式应用却是例外。一个例子就是电池监视，电池电源电压变化很大， 可以从满 充状态的 5V 到接近耗尽时的 2.2V 。然而，若电池连接到充电器上， 电源电压有可能增加到 12V双极型工艺通常允许较高的电源电压。 由于双极型晶体管的宽动态范围， 其工作电压容易做到比 CMOS 放大器更低。在低功耗、低漂移、噪声和速度等方面，双极型工艺都很出色，所以它不仅 是一种大有发展前途的工艺，还是一种能满足各种性能放大器要求的工艺。也有将两种工艺结合到一起的工艺技术，如互补双极互补 CMOS(CBCMOS) 。这种“混合” 工艺技 术的构想是将每种技术的优

12、点都集中到运算放大器上。例如， ADI 的 OP186 就采用了一个双极型 输入级来将噪声和漂移减至最小，同时在输出级采用 CMOS 晶体管来改善输出驱动性能而无需增 加器件尺寸。在低电压下工作且具有良好性能的运算放大器， 仍将主要采用双极型工艺。在主要考虑成本因素 的场合，可以采用 CMOS 工艺。在成本不变的情况下，性能将持续不断地提高。随着工艺技术的 改进， CMOS 的速度将逐渐提高，其精度也将通过工艺和电路技术的改进而提高。Spice 辅助设计选定所需要的运算放大器以后，最好能在计算机上利用 Spice 仿真器来模拟电路的设计。这样可 在电路制做出来之前验证设计的正确性。 多数厂商都

13、提供其运放产品的 Spice 宏模型，可准确反 映运算放大器的参数表中几种指标的特性。这些模型也可从厂商的 Web 站点免费下载。当然，计 算机仿真并不能保证电路设计的成功，但它能快速地反映出设计结果的性能优良程度。 集成运算放大器的主要参数Statesman 发表于 2007-8-22 14:35:00(1) 输入失调电压 UOS 在运算放大器两输入端外加一直流补偿电压，使放大器输出端为零电位，此外加补偿电压即为输入失调电 压 UOS 。(2) 输入失调电压温漂 dUOS/dT 在规定的环境温度范围内，单位温度变化所引起的输入失调电压的变化量即为输入失调电压温漂。(3) 输入偏置电流 IB

14、运算放大器在失调补偿后，使放大器输出为零时，两输入端所需偏置电流的平均值即为输入偏置电流 IB。(4) 输入失调电流 IOS输入信号为零时，放大器两个输入端偏置电流之差即为输入失调电流 IOS。(5) 输入失调电流温漂 dIOS/dT 运算放大器在规定的温度范围内，单位温度变化所引起的输入失调电流变化量即为输入失调电流温漂 dIOS/dT。(6) 最大输入差模电压 UIDM 运算放大器两输入端所能承受的最大电压差即为最大输入差模电压 UIDM。(7) 最大输入共模电压 UICM运算放大器两输人端输入共模电压UCM,当UCM增加到使其共模抑制比下降6dB时的值即为最大输人共模 电压UICM。(8

15、) 差模电压增益 AOd 放大器在开环时(没有外部反馈)输出直流电压增量与输入直流差模电压增量之比,即为开环差模电压增益： AOd=AUO/AUIAOd 通常以 dB 表示：A0d=20lgAU0/AUI(dB)(9) 共模抑制比 CMRR 运算放大器的差模电压增益与共模电压增益之比,即为共模抑制比 CMRR：(10) 差模输入电阻 Rid 运算放大器开环时,两个输入端视人的动态电阻。(11) 3dB 带宽 fO。运算放大器的开环电压增益下降3dB时的频带宽度，即为一3dB带宽广fO。(12) 单位增益带宽 fC。运算放大器的开环电压增益下降到l(OdB)时的频带宽度，即为单位增益带宽广fC。

16、(13) 静态功耗户 PO。 运算放大器在标称电源电压条件下，输入信号为零，不接负载时的功耗即为 PO。(14) 转换速率 SR ：运算放大器在额定输出电压，输出电压的最大变化速率即为 SR。附文1：运算放大器工艺有些放大器制造商认为，你应该仅凭规格来对一只器件作出判断，而不用担心制造它的工艺。虽然这 种观点有其正确性，但几乎每个 IC 设计者和应用工程师都必须考虑半导体工艺以及规格。这样有助于他 们对这些器件作广泛的分类，以及作出有关规格的某种假设。制造商最初使用的工艺是双极工艺，它使用普通晶体管，而不是FET (场效应管)或MOSFET (金属氧化物 半导体FET)。使用双极工艺意味着该器

17、件可以工作在较高电压下，一般速度也更快。双极晶体管有较高 的跨导，便于设计。如果使用一种隔离工艺，则设计的器件可以工作在高得多的频率下，因为内部杂散电 容通常只有传统工艺的十分之一。这种类型的工艺一般采用介电质隔离法，即各个晶体管都处于自己的玻 璃隔离皿中。有些工艺只是沟道隔离，即晶体管的侧面用玻璃隔离，但底部则采用普通双极工艺作结点隔 离。沟道隔离器件的速度好于那些单纯的双极器件，但比不上完全介电质隔离器件。这种方法亦可以避免 闩锁效应，即基材构成一个寄生SCR （可控硅整流器）。由于器件不会闩锁，就可以超出共模范围，并且 在给器件加电前输入端就可以有电压。与所有模拟产品一样，介电质隔离也有

18、一个缺点，甚至超出了较高 的成本。所有晶体管周围玻璃壁的导热能力都要比结点隔离方法低 10 倍。因此，设计者对高输出电流放 大的应用较少采用介电质隔离。另外一种广泛使用的放大器工艺类别是CMOS （互补金属氧化物半导体）。CMOS器件价格较低，因为 它们的制造工艺步骤较少。 CMOS 器件通常也有低的工作电流。 CMOS 的最佳特性之一是它的输入脚只需要 极少的输入偏置电流。例如，德州仪器公司的CMOSOPA2355的输入偏流为0.05 nA，仅次于JFET （结型FET）输入器件。CMOS器件一般是5V 供电，虽然也有一些 12V CMOS 工艺。由于早期 CMOS 器件利用了 CMOS 低

19、工作电流的优势，因此这些 器件表现为电压噪声，它不是 CMOS 固有的特性，而是设计中采用低偏流以及在输入段使用小晶体管的结 果。例如，美国国家半导体公司用CMOS制造的LMV751，由于设计者采用大的输入晶体管，并且输入差分 晶体管对有较高的静态电流，因此LMV751有低的电压噪声。另外一种BIMOS （双极MOS）工艺则同时包 含了双极和 CMOS 晶体管。还有一种不太常见但仍然有用的双极JFET工艺，它增加了掩膜步骤以创建JFET。与CMOS晶体管类 似， JFET 有低的输入偏流。较老的 JFET 器件（如美国国家半导体公司的 LF411 和 Analog Devices 公 司的AD

20、549）在CMOS器件流行前就能提供低的偏流。德州仪器公司提供的现代JFET器件有低偏流，但 速度仍很快。例如，TI的OPA656带宽为500MHz。JFET的输入电压噪声亦低于CMOS，因为晶圆基材中 的扩散掩盖了 JFET。与之相比，CMOS晶体管位于裸芯的表面，这里它们受制于栅格缺陷和晶体杂质，这 些都会产生噪声。同样，这种方案也包含一种均衡：用制造中的扩散控制 JFET 的参数。 CMOS 晶体管的特 性主要依赖于制造中的光刻。因此， CMOS 器件能做到更好的输入对匹配，降低了偏置电压，并减少了漂移。当某个应用要求的速度超过双极器件可以提供的极限时，设计者可以转向SiGe （硅锗）工

21、艺。这些工 艺在基极区有较高的电子迁移率、更薄的基极区，以及较高的射频电流密度，从而使运放带宽超过 1GHz。 这些器件消耗较多电流，并与所有其它的高速器件一样有稳定性问题。 SiGe 工艺正被用于高速 ADC 与高 速通信放大器中的差分输入放大器。其它工艺包括GaAs （砷化镓）和SOS （蓝宝石硅）。GaAs工艺速度很快，并且有比SiGe更高的电 子迁移率和更薄的基极区。 GaAs 的缺点与硅不同，它使用了不容易形成的隔离氧化物。硅氧化物是玻璃， 可以隔离不同的金属化层。 GaAs 没有这种工艺特性，它追随硅工艺，但能制造工作在 10GHz 以上的器件。 当然价格和工作电流也较高。在 SOS 工艺技术中，介质隔离的晶体管速度快，与氧化物隔离绝缘的工艺一 样。但由于晶体管之间隔离采用蓝宝石而不是玻璃，蓝宝石是水晶的导热率，与之相比，玻璃的导热率较 低。因此， SOS 器件速度快，提供大量的功率输出。制造商可以用掩膜少于双极工艺的 CMOS 工艺流程进 行制造。