运放选型、参数分析以及应用

写在前面： 

本文章旨在总结备份、方便以后查询，由于是个人总结，如有不对，欢迎指正；另外，内容大部分来自网络、书籍、和各类手册，如若侵权请告知，马上删帖致歉。

 

运放，作为硬件电路上不可缺失的一部分，生活中也经常出现，因此在这里记录并稍微分析一下集成运放选型时所关注的参数以及一些基本应用，本文以 TI的 OPA2350为例

 

一般，我们在 Datasheet上面都会看到很多的参数，可能看起来长篇大论，但是我们需要的参数也就那几个。先放出 OPA2350这个 IC的 Datasheet先，下面的数据都是基于里面来分析：https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20150811/1457707345966.pdf

 

我们先来分析最简单的

 

看图的标题，顾名思义就是这个IC的极限参数，主要用于确定需要为运放提供多少 V电压啊、最大电流不能超过多少啊等等；然后在这些数据中，一些我们需要值得注意的极限参数也圈了出来

 

接下来就正式分析运放的设计参数  额，为了更好的解析参数的含义，先来重新认识一下基本运放的简图（图一）、输入端的结构（图二）以及最最最基本的反向运算电路（图三）（下面这几张不是Datasheet里的图哈，别在那里找了，然后结构图这里只是为了配合一下下面参数的分析，所以找了些最基本的图，至于本文介绍的这款运放，你可以看下Datasheet里面的示意图，不可能这么简单的，不过基本原理就是这样）

（图一）

 

（图二）

 

（图三）

 

好了，接着之前的来详细分析它（OPA2350）的电气参数特性吧，在这里可以把它的参数部分分成输入、输出以及其他参数，若是加上之前的极限参数部分那就可以分成四个部分，废话不多说了，先看输入部分的参数吧

 

• 输入失调电压 Vos：输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。运放的输入失调电压来源于运放差分输入级两个管子的不匹配，因为受工艺水平的限制，这个不匹配是不可避免，所以为了使运放的输出电压等于 0，必需在运放两个输入端加一个小的电压以达到平衡，而这个需要加的小电压即为输入失调电压 Vos
• 输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）：输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在 ±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于 ±1μV/℃。
• 输入偏置电流 Ib：是指第一级放大器输入晶体管的基极直流电流，同时也定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在 ±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于 1nA。
• 输入偏置电流的温度漂移（简称输入偏置电流温漂）：跟输入失调电压温漂一样，因为温度的影响造成电流大小漂移，后面结合曲线图来分析
• 输入失调电流 Ios：定义为两个差分输入端偏置电流的误差。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。由于工艺上很难做到两个管子的完全匹配，所以这两个管子Q1和Q2的基极电流总是有这么点差别（可以看下上面图二的结构），也就是输入的失调电流。注意区分输入偏置电流，后面说
• 共模输入电压Vcm：指运放正常工作时输入电压的范围，如输入电压过高或者过低，会造成运放电路的不同的MOS管进如线性区，从而使电路不能正常的工作。其中，最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。
• 输入阻抗：

1、差模输入阻抗

差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。

2、共模输入阻抗

共模输入阻抗定义为，运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的 输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻。

 

我们再来输出部分的参数：

 

• 输出电压摆幅（Output Voltage Swing）：指当运放工作于线性区时，在特定负载条件下，输出的最大值和最小值之差，是输出能力的一种指标；简单的理解就是输出电压的范围。除低压运放外，一般运放的输出电压摆幅大于±10V。对于一般运放的输出电压摆幅是不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的；但是现代的部分低压运放的输出级都做了特殊处理，使得在10kR负载时，输出电压摆幅接近到电源电压的50mV以内（这款 OPA2350就是轨到轨，看上面的图），所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）运放（在这里埋一个知识点，等下再详细说下）。需要注意的是，运放的输出电压摆幅与负载有关，负载不同，输出电压摆幅也不同；运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用，输出电压摆幅越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。
• 输出电流：顾名思义，就是输出端的电流大小

 

然后我们来看下图中对第 4跟第 5点的解释：

 

先解析第 4点：它说明了这个摆幅是相对电源电压（±V）的，而这里的轨指的是电源轨；

至于第 5点：它表明这个输出电流需要结合 OUTPUT VOLTAGE SWING vs OUTPUT CURRENT 这个曲线图去解释

 

最后我们来看看其他的一些重要参数

 

• 共模抑制比：定义为放大电路对差模信号的电压增益与对共模信号的电压增益之比的绝对值。共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入中的共模干扰信号；因为我们要抑制零漂所以共模电压增益越小越好，而差模电压增益越大越好，所以希望 CMRR越大越好，CMRR越大，放大电路的性能越优良。由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在 80~120dB之间。
• 开环增益Aol：在不具负反馈情况下(开环路状况下)，运算放大器的放大倍数称为开环增益，记作 Aol，有的 datasheet上写成：Large Signal Voltage Gain。Aol的理想值为无限大，一般约为数千倍至数万倍，其表示法有使用 dB及 V/mV等。
• 增益带宽：

1、增益带宽积（GBW）：是放大器带宽和带宽增益的乘积。这项参数主要是针对运算放大器，它可以让电路设计人员通过指定的器件频率（或频带）来确定其最大增益，反过来也同样适用。

2、单位增益带宽：运放的闭环增益为 1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降 3db（或是相当于运放输入信号的 0.707）所对应的信号频率。这项参数用于小信号处理的运放选型。

一般运放的都是用增益带宽积 GBW来表征其处理交流信号的能力，是一个常数。单位增益带宽是指在运放电路闭环增益为0db时的带宽。

• 压摆率（转换速率）：运放的压摆率（SR）是与运放的增益带宽积（GBW）同等重要的一个参数；可以理解为，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得输出信号的最大变化速度；反映的是一个运算放大器在速度方面的指标，表示运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率 SR<=10V/μs，高速运放的转换速率 SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率 SR达到 6000V/μs。这项参数用于大信号处理的运放选型。

增益带宽积反映小信号放大信号的带宽问题，压摆率反映大信号放大信号的问题，一般大信号的带宽都要小于带宽增益积的值。

 

恩，基本参数已经分析完了，那就开始填回之前所挖的“坑”（蓝色标记点）吧！

 

1、输入偏置电流温漂

图：

运放的输入偏置电流会随着温度的变化而变化，从上图所知，输入偏置电流会在高于 25度时快速的升高。在 100度时的输入偏置电流是 25度时的几百倍。如果设计的系统是在很宽的温度范围内工作，这一因素不得不考虑。

 

2、输入偏置电流与输入失调电流

运放的输入偏置电流: 为了使运放输入级放大器工作在线性区,所必须输入的一个直流电流,在双极晶体管输入的运放,偏置电流就是输入管的基极电流, 在MOS管输入的运放是指栅极漏电流.

输入失调电流: 与输入失调电压一样,都是描述运放差分输入的对称性的。理想的差分输入应该是完全对称的,但由于设计和工艺过程的偏差,正负两个输入端的特性不会完全相同.这两个失调参数的定义是,当输出为0时两个输入端的输入电压差(失调电压)和输入电流---即偏置电流的差(失调电流), 显然在理想状态下它们都应该为0。

 

输入失调电流=|IB1-IB2| 输入偏置电流=1/2（IB1+IB2） IB1、IB2为输入级差放管的输入偏置电流

 

3、轨到轨（Rail to Rail）

Rail to Rail翻译成汉语即 “轨到轨”，指器件的输入输出电压范围可以达到电源电压。但是不是所有的rail to rail 运放输入和输出都接近电源，有的只是输入有的只是输出，当然也有的输入输出都是rail to rail 的，该类运放的最大特点就是可以扩展信号的电压范围，但一般输出电流较小，在大电流的情况下并不能保证rail to rail，所以现在分析的这款运放是轨到轨输出，输入并没有轨到轨

 

分析了这么多参数（其实还有很多参数的，上面说的只是基本都要用到的），然后让我们再来了解一下常用的运放应用电路

再附一下需要用到的设计公式

 

最后，下面的三个链接可以更详细的解释运放的原理，同时，这三个网站对于学习硬件知识也是很有帮助

运算参数的详细解释和分析【TI FAE 分享】

运算放大器原理设计解读

运放设计经验谈：运放十坑