運放的參數和選擇涉及以下多種參數:
偏置電壓和輸入偏置電流
在精密電路設計中,偏置電壓是一個(ge) 關(guan) 鍵因素。對於(yu) 那些經常被忽視的參數,諸如隨溫度而變化的偏置電壓漂移和電壓噪聲等,也必須測定。精確的放大器要求偏置電壓的漂移小於(yu) 200μV和輸入電壓噪聲低於(yu) 6nV/√Hz。隨溫度變化的偏置電壓漂移要求小於(yu) 1μV/℃ 。
低偏置電壓的指標在高增益電路設計中很重要,因為(wei) 偏置電壓經過放大可能引起大電壓輸出,並會(hui) 占據輸出擺幅的一大部分。溫度感應和張力測量電路便是利用精密放大器的應用實例。
低輸入偏置電流有時是必需的。光接收係統中的放大器就必須具有低偏置電壓和低輸入偏置電流。比如光電二極管的暗電流電流為(wei) pA量級,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算放大器。
因為(wei) 我現在用的是光電池做采集的係統,所以在使用中重點關(guan) 心了偏置電壓和電流。如果還有其他的需要,這時應該對 其他參數也需要多考慮了。
1、輸入失調電壓VIO(Input Offset Voltage)
輸入失調電壓定義(yi) 為(wei) 集成運放輸出端電壓為(wei) 零時,兩(liang) 個(ge) 輸入端之間所加的補償(chang) 電壓。
輸入失調電壓實際上反映了運放內(nei) 部的電路對稱性,對稱性越好,輸入失調電壓越小。輸入失調電壓是運放的一個(ge) 十分重要的指標,特別是精密運放或是用於(yu) 直流放大時。
2、輸入失調電壓的溫漂αVIO(Input Offset Voltage Drift)
輸入失調電壓的溫度漂移(又叫溫度係數)定義(yi) 為(wei) 在給定的溫度範圍內(nei) ,輸入失調電壓的變化與(yu) 溫度變化的比值。
這個(ge) 參數實際是輸入失調電壓的補充,便於(yu) 計算在給定的工作範圍內(nei) ,放大電路由於(yu) 溫度變化造成的漂移大小。一般運放的輸入失調電壓溫漂在±10~20μV/℃之間,精密運放的輸入失調電壓溫漂小於(yu) ±1μV/℃。
3、輸入偏置電流IB(Input Bias Current)
在使用運放中可能還會(hui) 遇到一個(ge) 輸入偏置電流IB,輸入偏置電流是指第一級放大器輸入晶體(ti) 管的基極直流電流。這個(ge) 電流保證放大器工作在線性範圍,為(wei) 放大器提供直流工作點。
輸入偏置電流定義(yi) 為(wei) 當運放的輸出直流電壓為(wei) 零時,其兩(liang) 輸入端的偏置電流平均值。
輸入偏置電流對進行高阻信號放大、積分電路等對輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流與(yu) 製造工藝有一定關(guan) 係,其中雙極型工藝(即上述的標準矽工藝)的輸入偏置電流在±10nA~1μA之間;采用場效應管做輸入級的,輸入偏置電流一般低於(yu) 1nA。
對於(yu) 雙極性運放,該值離散性很大,但幾乎不受溫度影響;而對於(yu) MOS型運放,該值是柵極漏電流,值很小,但受溫度影響較大。
4、輸入失調電流(Input Offset Current)
輸入失調電流 offset current,是指兩(liang) 個(ge) 差分輸入端偏置電流的誤差。
輸入失調電流定義(yi) 為(wei) 當運放的輸出直流電壓為(wei) 零時,其兩(liang) 輸入端偏置電流的差值。
輸入失調電流同樣反映了運放內(nei) 部的電路對稱性,對稱性越好,輸入失調電流越小。輸入失調電流是運放的一個(ge) 十分重要的指標,特別是精密運放或是用於(yu) 直流放大時。輸入失調電流大約是輸入偏置電流的百分之一到十分之一。輸入失調電流對於(yu) 小信號精密放大或是直流放大有重要影響,特別是運放外部采用較大的電阻(例如10k或更大時),輸入失調電流對精度的影響可能超過輸入失調電壓對精度的影響。輸入失調電流越小,直流放大時中間零點偏移越小,越容易處理。所以對於(yu) 精密運放是一個(ge) 極為(wei) 重要的指標。
5、輸入阻抗
(1)差模輸入阻抗
差模輸入阻抗定義(yi) 為(wei) ,運放工作在線性區時,兩(liang) 輸入端的電壓變化量與(yu) 對應的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容,在低頻時僅(jin) 指輸入電阻。
(2)共模輸入阻抗
共模輸入阻抗定義(yi) 為(wei) ,運放工作在輸入信號時(即運放兩(liang) 輸入端輸入同一個(ge) 信號),共模輸入電壓的變化量與(yu) 對應的 輸入電流變化量之比。在低頻情況下,它表現為(wei) 共模電阻。
6、電壓增益
(1)開環電壓增益(Open-Loop Gain)
在不具負反饋情況下(開環路狀況下),運算放大器的放大倍數稱為(wei) 開環增益,記作AVOL,有的datasheet上寫(xie) 成:Large Signal Voltage Gain。AVOL的理想值為(wei) 無限大,一般約為(wei) 數千倍至數萬(wan) 倍,其表示法有使用dB及V/mV等。
(2)閉環電壓增益(Closed-Loop Gain)
顧名思義(yi) ,就是在有反饋的情況下,運算放大器的放大倍數。
7、輸出電壓擺幅(Output Voltage Swing)
當運放工作於(yu) 線性區時,在指定的負載下,運放在當前電源電壓供電時,運放能夠輸出的最大電壓幅度。
8、輸入電壓範圍
(1)差模輸入電壓範圍
最大差模輸入電壓定義(yi) 為(wei) ,運放兩(liang) 輸入端允許加的最大輸入電壓差。
當運放兩(liang) 輸入端允許加的輸入電壓差超過最大差模輸入電壓時,可能造成運放輸入級損壞。
(2)共模輸入電壓範圍(Common Mode Input Voltage Range)
最大共模輸入電壓定義(yi) 為(wei) ,當運放工作於(yu) 線性區時,在運放的共模抑製比特性顯著變壞時的共模輸入電壓。
一般定義(yi) 為(wei) 當共模抑製比下降6dB 是所對應的共模輸入電壓作為(wei) 最大共模輸入電壓。最大共模輸入電壓限製了輸入信號中的最大共模輸入電壓範圍,在有幹擾的情況下,需要在電路設計中注意這個(ge) 問題。
9、共模抑製比(Common Mode Rejection Ratio)
共模抑製比定義(yi) 為(wei) 當運放工作於(yu) 線性區時,運放差模增益與(yu) 共模增益的比值。
共模抑製比是一個(ge) 極為(wei) 重要的指標,它能夠抑製共模幹擾信號。由於(yu) 共模抑製比很大,大多數運放的共模抑製比一般在數萬(wan) 倍或更多,用數值直接表示不方便比較,所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運放的共模抑製比在80~120dB之間。
10、電源電壓抑製比(Supply Voltage Rejection Ratio)
電源電壓抑製比定義(yi) 為(wei) 當運放工作於(yu) 線性區時,運放輸入失調電壓隨電源電壓的變化比值。
電源電壓抑製比反映了電源變化對運放輸出的影響。所以用作直流信號處理或是小信號處理模擬放大時,運放的電源需要作認真細致的處理。當然,共模抑製比高的運放,能夠補償(chang) 一部分電源電壓抑製比,另外在使用雙電源供電時,正負電源的電源電壓抑製比可能不相同。
11、靜態功耗
運放在給定電源電壓下的靜態功率,通常是無負載狀態下。
這裏就會(hui) 有個(ge) 靜態電流 IQ的概念,靜態電流其實就是指運放在空載工作時自身消耗的電流。這是運放消耗電流的最小值(排除休眠狀態)
12、擺率(Slew Rate)
運放轉換速率定義(yi) 為(wei) ,運放接成閉環條件下,將一個(ge) 大信號(含階躍信號)輸入到運放的輸入端,從(cong) 運放的輸出端測得運放的輸出上升速率。
由於(yu) 在轉換期間,運放的輸入級處於(yu) 開關(guan) 狀態,所以運放的反饋回路不起作 用,也就是轉換速率與(yu) 閉環增益無關(guan) 。轉換速率對於(yu) 大信號處理是一個(ge) 很重要的指標,對於(yu) 一般運放轉換速率SR<=10V/μs,高速運放的轉換速率 SR>10V/μs。目前的高速運放最高轉換速率SR達到 6000V/μs。這用於(yu) 大信號處理中運放選型。
13、增益帶寬
(1)增益帶寬積(Gain Bandwidth Product)
增益帶寬積,GBP,帶寬與(yu) 增益的積。
(2)單位增益帶寬
運算放大器放大倍數為(wei) 1時的帶寬。
單位增益帶寬和帶寬增益積這兩(liang) 個(ge) 概念有些相似,但不同。這裏需要說明的是對電壓反饋型運放來說,增益帶寬積是一個(ge) 常數,而對於(yu) 電流型運放來說卻不是這樣的,因為(wei) 對於(yu) 電流型運放而言,帶寬和增益不是一個(ge) 線性的關(guan) 係。
14、輸出阻抗
輸出阻抗定義(yi) 為(wei) ,運放工作在線性區時,在運放的輸出端加信號電壓,這個(ge) 電壓變化量與(yu) 對應的電流變化量的比值。在低頻時僅(jin) 指運放的輸出電阻。這個(ge) 參數在開環的狀態下測試。
15、等效輸入噪聲電壓(Equivalent Input Noise Voltage)
等效輸入噪聲電壓定義(yi) 為(wei) ,屏蔽良好、無信號輸入的的運放,在其輸出端產(chan) 生的任何交流無規則的幹擾電壓。
這個(ge) 噪聲電壓折算到運放輸入端時,就稱為(wei) 運放輸入噪聲電壓(有時也用噪聲電流表示)。對於(yu) 寬帶噪聲,普通運放的輸入噪聲電壓有效值約10~20μV。