更換運(yùn)算放大器時(shí)要考慮三個(gè)主要因素

本文的目的是在高層次上討論在替換通用或精確電壓反饋業(yè)務(wù)放大器時(shí)的三個(gè)考慮因素。這三個(gè)考慮因素包括:輸入階段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸出階段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流程技術(shù)。其中每一個(gè)都有潛在的意想不到的后果,可能會(huì)影響操作放大器的性能或功能,或同時(shí)影響給定設(shè)計(jì)中的功能。

例如,輸出級拓?fù)錄Q定輸出擺動(dòng)范圍,但也可能影響電路的穩(wěn)定性,取決于開環(huán)輸出阻抗,Z O .替換OP放大器時(shí)的其他重要考慮因素,例如背對背輸入二極管、偏移電壓漂移和輸入偏置電流漂移,不在本文的范圍之內(nèi),但我確實(shí)建議調(diào)查它們。

兩個(gè)最常見的論壇放大輸入階段拓?fù)涫莻鹘y(tǒng)的單輸入對和互補(bǔ)輸入對,如圖所示。 圖1 .圖1a描述了由一對n-通道-n-通道(NPN)晶體管組成的輸入階段。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常具有輸入共模電壓范圍,其中包括負(fù)電源電壓,但可能僅延伸到正電源電壓的1V或2V以內(nèi)。作為對這一缺點(diǎn)的權(quán)衡,只有一個(gè)輸入級晶體管對的OP安培具有相對恒定的偏移電壓,因?yàn)榫w管本質(zhì)上是很匹配的。

圖1 單PNP晶體管對(A)和互補(bǔ)輸入對(B)是常見的論壇放大輸入階段拓?fù)洹?

除了具有這種輸入級的降低共模電壓范圍的器件之外,這些器件還可能受到相位倒置的影響,當(dāng)輸入共模電壓超過線性輸入共模范圍時(shí),會(huì)發(fā)生在一些操作電瓶中。在相位倒轉(zhuǎn)時(shí),輸出電壓向相反的鋼軌搖擺.雖然有一些董事會(huì)一級的技術(shù)來防止這種情況的發(fā)生,但有一個(gè)更簡單的解決辦法:互補(bǔ)對輸入階段(圖1b)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一對N通道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(在共模電壓接近正電源電壓時(shí)活動(dòng))和一對P通道金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(在共模電壓接近負(fù)電源電壓時(shí)活動(dòng))。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以防止相位倒轉(zhuǎn),并將共模電壓范圍擴(kuò)展到整個(gè)輸入電源電壓范圍。

雖然這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展了輸入共同模式的范圍,但是在PMO和NMOS晶體管對之間的切換產(chǎn)生了偏移電壓的"過渡區(qū)域",如圖所示。 圖2 .發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的共同模式電壓和偏移電壓變化的幅度將取決于OP放大器的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)。具有大偏移電壓變化的設(shè)備通常不被認(rèn)為有鐵路到軌道的輸入(RRI),但對于那些有匹配的輸入級晶體管對的設(shè)備,數(shù)字校正技術(shù)或偏移調(diào)整通常有RRI。與偏移電壓不同的規(guī)格--例如共模排斥比、帶寬、噪聲、轉(zhuǎn)輪速率和開環(huán)增益--通常會(huì)降低NMOS操作區(qū)域的性能。

圖2 補(bǔ)充輸入對的輸入階段包括非RRI(A)、RRI(B)和RRI-TRMED(C)。

一個(gè)值得一提的拓?fù)涫橇憬徊娣糯笃?。零交叉放大器使用?nèi)部電荷泵,只有一對輸入級晶體管。充電泵內(nèi)部提升裝置的電源電壓,例如1.8V,這確保了輸入級晶體管對在整個(gè)供電電壓范圍(RRI)的線性操作,沒有輸入偏移電壓過渡區(qū)域( 圖3 ).

圖3 零交叉操作放大器使用內(nèi)部電荷泵和有一對輸入級晶體管。

總而言之,在替換操作放大器時(shí),要確保共模電壓范圍和輸入級拓?fù)涠寂c原裝置兼容。

替換操作放大器時(shí)要考慮的第二個(gè)主要考慮是Z O .當(dāng)驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載時(shí),這變得尤為重要,因?yàn)閦 O 負(fù)載在操作放大器的循環(huán)增益曲線中創(chuàng)建一個(gè)極。這個(gè)極可以通過在反饋路徑中添加延遲來引起穩(wěn)定性問題,從而減少電路的相位邊緣。

穩(wěn)定電容負(fù)載最常見的解決方案之一是放置隔離電阻,R 伊索 ,在負(fù)載和版本放大電路之間。R 伊索 通過在傳遞函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)零來補(bǔ)償極。零的位置(以及R的值) 伊索 )由Z決定。 O 但是。因此,不僅要了解Z的大小 O 以及頻率的變化。 圖4 描繪了各種Z O 曲線來說明這個(gè)概念。

圖4 OPS顯示了各種Z O 彎曲。

如果替換的操作放大器有不同的輸出階段--因此有不同的Z O 曲線-您可能需要調(diào)整補(bǔ)償組件。

最后,工藝技術(shù)影響到許多的p放大規(guī)格,包括偏移電壓、漂移、共模和輸出擺動(dòng)范圍、輸出電壓相對于輸出電壓。輸出電流(利爪曲線),噪聲,和輸入偏置電流.深入研究所有這些規(guī)范超出了本文的范圍,但是一些規(guī)范突出了輸入偏置電流和噪聲。

雙極放大器,或至少具有雙極晶體管輸入級的OP安培,與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)放大器相比,具有相對較大的輸入偏流。這是因?yàn)殡p極輸入級OP安培的輸入偏置電流取決于晶體管基流的大小,通常在納米安培的范圍內(nèi)。

雖然在雙極放大器中有減少輸入偏置電流的技術(shù)--例如,輸入偏置電流--CMOS放大器的輸入偏置電流要小得多,通常在皮安培甚至飛安范圍內(nèi),因?yàn)樗鼈兊妮斎肫秒娏魇怯杀Ｗo(hù)設(shè)備輸入銷的靜電放電二極管的泄漏電流引起的。輸入偏置電流規(guī)范對于在反饋網(wǎng)絡(luò)中有大電阻的應(yīng)用以及與高阻抗信號源接口時(shí)尤為重要。所以,如果你在其中一個(gè)應(yīng)用中用雙極放大器替換CMOS放大器,請小心。

除了輸入偏置電流外,替換輸出放大器時(shí),還考慮輸出放大器輸入電壓噪聲密度曲線。該曲線以每平方根赫茲的納米伏特相對于頻率繪制噪聲圖。這個(gè)曲線有兩個(gè)主要區(qū)域:1樓和寬帶區(qū)域。1/F區(qū)域代表了低頻噪聲分量,它隨著頻率的增加而減小。寬帶區(qū)域是頻率較高的噪聲,通常在頻率上是恒定的。1樓"噪音角"是1樓區(qū)域向?qū)拵^(qū)域過渡的地方。它通常被認(rèn)為是一個(gè)優(yōu)點(diǎn),在比較論壇放大器噪音性能。一般而言,雙極放大器的頻率比CMOS放大器低1/F。 圖5描述雙極和CMOS放大器的輸入電壓噪聲光譜密度曲線。

圖5 對雙極放大器和CMOS放大器的輸入電壓噪聲譜密度進(jìn)行了比較.

在更換操作放大器時(shí),你也應(yīng)該考慮寬帶噪音和帶寬的影響。例如,你可以很容易地用一個(gè)3NV/赫茲、50MHZ的運(yùn)算放大器替換一個(gè)6NV/N2O赫茲、10MHZ的運(yùn)算放大器,這似乎是合乎邏輯的。然而,如果設(shè)計(jì)中沒有外部濾波--例如,輸出上有一個(gè)RC濾波器--那么低噪音、寬帶寬的輸出放大器實(shí)際上比高噪音、低帶寬的輸出放大器貢獻(xiàn)更多的噪音。

其他重要考慮

下一次你需要更換一個(gè)操作放大器時(shí),一定要考慮更多的電壓,包裝和壓平。例如,盡管兩個(gè)裝置可能有相同的共模電壓范圍,但它們可能有不同的輸入級設(shè)計(jì)。根據(jù)原有的和替換的OP安培,這可能引入一個(gè)過渡區(qū)域,當(dāng)輸入信號接近正供應(yīng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致性能下降。

類似地,兩個(gè)OP安培可能有相同的輸出擺動(dòng)范圍,但非常不同的開環(huán)輸出阻抗圖。在這種情況下,您應(yīng)該模擬設(shè)計(jì)以確保足夠的相位邊緣。

接下來,用雙極OPS來替換CMOSOPS(反之亦然)有過多的暗示。兩個(gè)注意事項(xiàng)包括輸入偏置電流和噪聲.如果原設(shè)計(jì)在反饋網(wǎng)絡(luò)中有較大的電阻,則與高阻抗信號源接口,或兩者都有,則比較輸入偏置電流圖。

最后,在與帶寬進(jìn)行比較時(shí),要小心。僅僅因?yàn)椴僮鞣糯笃饔幸粋€(gè)低頻率的1樓噪音角或較低的寬帶噪音,并不一定意味著它對信號路徑貢獻(xiàn)較少的噪音。