OpenVINOTM,给你看得见的未来!>>
电子产品世界 » 论坛首页 » 综合技术 » 物联网技术 » 精通运算放大器设计之运放参数的详细解释和分析(连载)

共49条 1/5 1 2 3 4 5 ›| 跳转至

精通运算放大器设计之运放参数的详细解释和分析(连载)

高工
2014-07-11 16:20:03    评分

  运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”。运算放大器是几乎目前所有的电子设备中都要用到的基本器件,因此了解及精通运算放大器设计十分重要。

  九层之台,起于累土,首先我们要了解运放的参数。一般运放的datasheet中会列出众多的运放参数,有些易于理解,我们常关注,有些可能会被忽略了。在接下来的一些主题里,将对每一个参数进行详细的说明和分析。力求在原理和对应用的影响上把运放参数阐述清楚。由于本人的水平有限,写的博文中难免有些疏漏,希望大家批评指正。


第一节:输入偏置电流和输入失调电流     http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/1#2

第二节:如何测量输入偏置电流Ib,失调电流Ios     http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/1#9

第三节:输入失调电压Vos及温漂     http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/1#11

第四节:运放噪声快速计算     http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/2#16

第五节:电源抑制比DC-PSRR    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/2#19

第六节:电源抑制比AC-PSRR    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/2#20

第七节:共模抑制比CMRR    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/3#23

第八节:共模抑制比CMRR的影响    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/3#26

第九节:放大电路直流误差(一)    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/3#29

第十节:放大电路直流误差(二)    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/3#30

第十一节:输入阻抗和输入电容    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/4#32

第十二节:输入电容Cin的测量    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/4#37

第十三节:轨至轨输入(rail to rail input)    http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/4#39

第十四节:轨至轨输入_TI的领先技术   http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/4#40

第十五节:开环增益Aol   http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/5#42

第十六节:增益带宽积(GBW)  http://forum.eepw.com.cn/thread/257781/5#43


高工
2014-07-11 16:28:05    评分
2楼

  第一节要说明的是运放的输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .众说周知,理想运放是没有输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .的。但每一颗实际运放都会有输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios .我们可以用下图中的模型来说明它们的定义。

  

      输入偏置电流Ib是由于运放两个输入极都有漏电流(我们暂且称之为漏电流)的存在。我们可以理解为,理想运放的各个输入端都串联进了一个电流源,这两个电流源的电流值一般为不相同。也就是说,实际的运入,会有电流流入或流出运放的输入端的(与理想运放的虚断不太一样)。那么输入偏置电流就定义这两个电流的平均值,这个很好理解。输入失调电流呢,就定义为两个电流的差。

  说完定义,下面我们要深究一下这个电流的来源。那我们就要看一下运入的输入级了,运放的输入级一般采用差分输入(电压反馈运放)。采用的管子,要么是三级管bipolar,要么是场效应管FET。如下图所示,对于bipolar,要使其工作在线性区,就要给基极提供偏置电压,或者说要有比较大的基极电流,也就是常说的,三极管是电流控制器件。那么其偏置 电流就来源于输入级的三极管的基极电流,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,也就是输入的失调电流。Bipolar输入的运放这两个值还是很可观的,也就是说是比较大的,进行电路设计时,不得不考虑的。而对于FET输入的运放,由于其是电压控制电流器件,可以说它的栅极电流是很小很小的,一般会在fA级,但不幸的是,它的每个输入引脚都有一对ESD保护二极管。这两个二极管都是有漏电流的,这个漏电流一般会比FET的栅极电流大的多,这也成为了FET输入运放的偏置电流的来源。当然,这两对ESD保护二极管也不可能完全一致,因此也就有了不同的漏电流,漏电流之差也就构成了输入失调电流的主要成份。

  

      下面列表中上表是bipolar的LM741的输入偏置电流和输入失调电流,这个电流流到外面电阻,即使是K欧级的,也会产生几十uV的失调电压,再经放大,很容易就会使输出的电压误差到mV级。下表则是CMOSFET的OPA369的输入偏置电流和输入失调电流,这两个值要小的多了,比较好的COMS运放输入偏置电流和输入失调电流的典型值可以做到小于1pA的目标。

  

       这里还要强调的是,ESD的反向漏电流是与其反相电压有关的。因此当Vin=(Vcc-Vss)/2 时,加在两个ESD保护二极管的电压相当,他们的反向电流可以认为是近似相等的,此时理想情况是无电流流入或流出的,实际情况是电流达到最小值。因此这时有最小的偏置电流,当运放输入端电压Vin不等于(Vcc-Vss)/2,势必造成一个二极管的反向电压高,另一个低,此时两个二极管的反向漏电流就不等了,这个差电流就会构成了输入偏置电流的主要成份。这个现场称为领节效应。因此要使FET输入偏置电流最小,就要把共模电压设置在(Vcc-Vss)/2处。

  上面分析了定义和来源。下面就要说说这两个参数对电路的影响了,输入偏置电流会流过外面的电阻网络,从而转化成运放的失调电压,再经运放话后就到了运入的输出端,造成了运放的输入误差。这也就说明了,在反向放大电路中,为什么要在运放的同相输入端连一个电阻再接地的原因。并且这个电阻要等于反向输入端的电阻和反馈电阻并联后的值。这就是为了使两个输入端偏置电流流过电阻时,形成的电压值相等,从而使它们引入的失调电压为0。这样说,太抽象了,还是看下面一组图容易理解一些。

  

      再有一点,对于微小电流检测的电路,一般为跨阻放大电路,如光电二极管的探测电路,一般有用光信号都比较微弱转化的光电源信号更微弱,常常为nA级甚于pA级。这个电路的本意是想让光电流向反馈电阻流动从而在放大电路输出端产生出电压。如果选用的运放的输入偏置电流过大,刚这个微弱的光电流会有一部分流入到运放的输入端,而达不到预设的I/V线性转化。

  还需要注意的一点时,许多运放的输入失调电流会随着温度的变化而变化,如下图所示OPAl350的输入失调电流会在高于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。

  

      以上啰啰嗦嗦的讲了运放的输入偏置电流和失调电流,希望对大家有用。下一节中将详细剖析其它参数。


院士
2014-07-11 16:59:41    评分
3楼
恩,真心不错,等待连载继续

高工
2014-07-11 20:49:49    评分
4楼
支持楼主

工程师
2014-07-12 09:35:38    评分
5楼

工程师
2014-07-12 22:47:12    评分
6楼
支持,希望继续连载啊。

工程师
2014-07-13 21:28:53    评分
7楼
好高深啊

高工
2014-07-14 09:38:22    评分
8楼

支持,持续关注


高工
2014-07-14 10:54:20    评分
9楼

  · 上一节讲了运放输入偏置电流和输入失调电流。这一节给出输入偏置电流测量方式。 总体来说主要有两种测试方法, 一种是让输入偏置电流流入一个大的电阻,从而形成一个失调电压,然后放大失调电压并进行测量,这样就可以反算出输入偏置;另一种方法是让输入偏置电流流入一个电容,用电容对这个电流进行积分,这样只要测和电容上的电压变化速率,就可以计算出运放的偏置电流。

  先介绍第一种方法,具体电路如下图所示,C1是超前补偿电容以防止电路的振荡,根据实际电路选择。OP2是测试辅助运放,需选低偏置电压和低偏置电流的运放。测试步骤和原理下面一步一步进行推算。

  

      (1)首先测试运放的失调电压。关闭S1和S2,测试出OP2运放的输出电压记下Vout 。则输入失调电压为:

  

      (2)打开S2,待测运放的Ib+流入R2,会形成一个附加的失调电压Vos1,测试出OP2运放的输出电压记下Vout1。则运放同向输入失调电压为:

  

      (3)关闭S2,打开S1,待测运放的Ib-流入R1,会形成一个附加的失调电压Vos2,测试出OP2运放的输出电压记下Vout2。则运放反向输入失调电压为:

  

      (4)运放输入偏置电流为

  Ib=[(Ib+)+(Ib-)]/2

  运放输入失调电流为

  Ios=(Ib+)-(Ib-)

  这种测试方法有几个缺点,一个是使用了很大的电阻R1和R2,一般会是M欧级,这两个电阻引入了很大的电压噪声。受到电阻R1和R2的阻值的限制,难以测得FET输入运放的偏置电流。

  第二种方法测试方法,是让运放的输入偏置电流流入电容,具体测试如下图。从图中的公式很容易理解测试的原理,这个测试的关键,是选取漏电流极小的电容

  

      (1)打开S1,IB+流入电容C,用示波器观察Vo的变化,结果如下图,按上图的方法就可以计算出IB+。


                                  ΔV /mV                    Δt /s           C /nF           Ib /nA

             No.1 IB+         166                        6.68            9.54            0.237072


      (2)关闭S1打开S2,IB-流入电容C,用示波器观察Vo的变化,结果如下图,可以计算出IB-。

  (3)再根据定义就可以计算出运放的输入偏置电流和失调电流。

  

                              ΔV /mV                  Δt /s                     C /nF           Ib /nA

           No.1 IB         -44                  3.22                      9.54             0.13036

  这种测试方法可以测得fA级的失调电流。测试时需要选用低漏电流的电容,推荐使用极低漏电流的特氟龙电容,聚丙烯(PP)电容或聚苯乙烯电容。

  再分享一个经验,就是贴片电容在焊接过程中,由于引脚可能残留焊锡膏等杂质,会使FET运放的漏电流大大的增加。曾经测试一个偏置电流为小于10pA级的运放,由于没有对引脚 进行清洗,结果测得结果出现了很大的误差,或者叫差错,达了nA的水平了


菜鸟
2014-07-14 15:48:06    评分
10楼
好贴心,支持楼主

共49条 1/5 1 2 3 4 5 ›| 跳转至

回复

匿名不能发帖!请先 [ 登陆 注册 ]