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[導讀]本文介紹了輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、輸入偏置電流等基礎知識。

輸入失調(diào)電壓

定義:在運放開環(huán)使用時, 加載在兩個輸入端之間的直流電壓使得放大器直流輸出電壓為 0。


優(yōu)劣范圍:1μV 以下,屬于極優(yōu)秀的。100μV 以下的屬于較好的。最大的有幾十mV。

對策:

  • 選擇 VOS遠小于被測直流量的放大器,
  • 過運放的調(diào)零措施消除這個影響
  • 如果你僅關心被測信號中的交變成分,你可以在輸入端和輸出端增加交流耦合電路,將其消除。


如果 IB1=IB2,那么選擇 R1=R2//RF,可以使電流形成的失調(diào)電壓會消失,但實際中IB1=IB2很難滿足。

失調(diào)電壓漂移


定義: 當溫度變化(μV/°C)、時間持續(xù)(μV/MO)、供電電壓(μV/V)等自變量變化時, 輸入失調(diào)電壓會發(fā)生變化。

后果:很嚴重。因為它不能被調(diào)零端調(diào)零,即便調(diào)零完成,它還會帶來新的失調(diào)。

對策:

  • 第一, 就是選擇高穩(wěn)定性,也就是上述漂移系數(shù)較小的運放。
  • 第二,有些運放具有自歸零技術,它能不斷地測量失調(diào)并在處理信號過程中把當前失調(diào)電壓減掉。

輸入偏置電流


定義:當輸出維持在規(guī)定的電平時,兩個輸入端流進電流的平均值。Ib=(Ib1+Ib2)/2

優(yōu)劣范圍:60fA~100μA

后果:
  • 第一,當用放大器接成跨阻放大測量外部微小電流時,過大的輸入偏置電流會分掉被測電流,使測量失準。
  • 第二,當放大器輸入端通過一個電阻接地時,這個電流將在電阻上產(chǎn)生不期望的輸入電壓。

對策:為避免輸入偏置電流對放大電路的影響,最主要的措施是選擇 IB較小的放大器。


輸入失調(diào)電流


定義:當輸出維持在規(guī)定的電平時,兩個輸入端流進電流的差值,Ib=Ib1-Ib2。

優(yōu)劣范圍:20fA~100μA

后果:失調(diào)電流的存在,說明兩個輸入端客觀存在的電流有差異,無法用外部電阻實現(xiàn)匹配抵消偏置電流的影響。


噪聲指標


運放常見的噪聲根源有兩類,一類為 1/f 噪聲,其電能力密度曲線隨著頻率的上升而下降;一類為白噪聲,或者叫平坦噪聲,其電能力密度曲線是一條直線,與頻率無關。


輸入電壓范圍


定義:保證運算放大器正常工作的最大輸入電壓范圍。也稱為共模輸入電壓范圍。當運放最大輸入電壓范圍與電源范圍比較接近時,比如相差 0.1V 甚至相等、超過,都可以叫“輸入軌至軌”,表示為 Rail-to-rail input,或 RRI。

理解:運放的兩個輸入端,任何一個的輸入電壓超過此范圍,都將引起運放的失效。注意,超出此范圍并不代表運放會被燒毀,但絕對參數(shù)中出現(xiàn)的此值是堅決不能超過的。


輸出電壓范圍


定義:在給定電源電壓和負載情況下,輸出能夠達到的最大電壓范圍。當運放的輸出范圍已經(jīng)接近于電源電壓范圍時,就自稱“輸出軌至軌”,表示為 Rail-to-rail output,或 RRO。

理解:在沒有額外的儲能元件情況下,運放的輸出電壓不可能超過電源電壓范圍,隨著負載的加重,輸出最大值與電源電壓的差異會越大。

輸出電壓范圍,或者輸出至軌電壓有如下特點:

  • 正至軌電壓與負至軌電壓的絕對值可能不一致,但一般情況下數(shù)量級相同。
  • 至軌電壓與負載密切相關,負載越重(阻抗小) 至軌電壓越大。
  • 至軌電壓與信號頻率相關,頻率越高,至軌電壓越大,甚至會突然大幅度下降。
  • 至軌電壓在 20mV 以內(nèi),屬于非常優(yōu)秀。
  • RRIO(輸入輸出均軌至軌)。

共模抑制比


定義:差模電壓增益與共模電壓增益的比值,用 dB 表示。CMRR = 20 log (Ad/Ac)

優(yōu)劣范圍:一般運放都有 60dB 以上的 CMRR,高級的可達 140dB 以上。運算放大器在單端輸入使用時,不存在這個概念。只有把運放接成類似于減法器形式,使得運放電路具備兩個可變的輸入端時,此指標才會發(fā)揮作用。

影響因素:一是運放本身的共模抑制比,二是對稱電路中各個電阻的一致性。

開環(huán)電壓增益


定義:運放本身具備的輸出電壓與兩個輸入端差壓的比值,用 dB 表示。

優(yōu)劣范圍:一般在 60dB~160dB 之間。越大的,說明其放大能力越強。

理解:開環(huán)電壓增益是指放大器在閉環(huán)工作時,實際輸出除以運放正負輸入端之間的壓差,類似于運放開環(huán)工作——其實運放是不能開環(huán)工作的。AVO 隨頻率升高而降低。


10 壓擺率


定義:閉環(huán)放大器輸出電壓變化的最快速率。用 V/μs 表示。

優(yōu)劣范圍:從 2mV/μs 到 9000V/μs 不等。

理解:此值顯示運放正常工作時,輸出端所能提供的最大變化速率,當輸出信號欲實現(xiàn)比這個速率還快的變化時,運放就不能提供了,導致輸出波形變形 —— 原本是正弦波就變成了三角波。


11 帶寬指標


與帶寬相關的指標主要有四項:

  • 單位增益帶寬(Unity Gain-bandwidth, UGBW) 定義:運放開環(huán)增益/頻率圖中,開環(huán)增益下降到 1 時的頻率。
  • 增益帶寬積(Gain Bandwidth Product, GBP 或者 GBW) 定義:運放開環(huán)增益/頻率圖中,指定頻率處,開環(huán)增益與該指定頻率的乘積。
  • -3dB 帶寬 定義:運放閉環(huán)使用時,某個指定閉環(huán)增益(一般為 1 或者 2、 10 等)下,增益變?yōu)榈皖l增益的 0.707 倍時的頻率。
  • 滿功率帶寬(Full Power Bandwidth) 定義:將運放接成指定增益閉環(huán)電路(一般為 1 倍),連接指定負載,輸入加載正弦波,輸出為指標規(guī)定的最大輸出幅度,此狀態(tài)下,不斷增大輸入信號頻率,直到輸出出現(xiàn)因壓擺率限制產(chǎn)生的失真(變形)為止,此頻率即為滿功率帶寬。

滿功率帶寬與器件壓擺率密切相關


12 全諧波失真


衡量一個時域波形與標準正弦波的差異程度的量。也被用于衡量一個放大器的保真程度。諧波是有規(guī)律的,在頻域中僅出現(xiàn)在指定頻點。放大器的失真度指標,有時也用 HD2、 HD3 表征。

放大器的失真度指標,與很多因素相關,最為顯著的有五個:第一是輸入信號頻率,第二是輸出信號幅度,第三是放大電路閉環(huán)增益,第四是輸出帶載大小,第五是供電電壓。


13 建立時間


定義: 運放接成指定增益(一般為 1),從輸入階躍信號開始,到輸出完全進入指定誤差范圍所需要的時間。

優(yōu)劣范圍: 幾個 ns 到幾個 ms。一般來說, SR 越大的,建立時間更小。


14 電源電壓抑制比


定義:電源電壓抑制比,其含義是運放對電源上紋波或者噪聲的抵抗能力。

理解:首先,正負電源具有不一定相同的 PSRR(PSRR-不一定等于PSRR+),其次,隨著電源電壓變化頻率的提升,運放對這個變化的抵抗能力會下降。一般情況下,電源變化頻率接近其帶寬時,運放會失去對電源變化的抵抗 —— 即單位增益情況下電源變化多少,輸出就變化多少。因此電源旁常需要加旁路電容。


15 熱阻


定義:是導熱體阻止熱量散失程度的描述。有以下常用的兩種:

  • θJA,是指芯片熱源結(jié)(Junction)與芯片周圍環(huán)境(Ambient)(一般為空氣)的熱阻。
  • θJC,是指芯片熱源結(jié)(Junction)與芯片管殼(Case)的熱阻。


理解:對芯片來說,導熱路徑的兩端分別為自身發(fā)熱體與環(huán)境空氣。熱阻 θJA 越大,說明散熱越困難,其溫差也就越大。

理想運算放大器的特點:輸入阻抗為∞,開環(huán)放大倍數(shù)為∞,共模抑制比為∞,帶寬為∞,壓擺率為∞,輸出阻抗為無窮小,差模輸入電壓為0,輸入電流為0,失調(diào)電壓,失調(diào)電流均為0。

兩個重要特性:

  • 虛短:正負輸入端電壓相等
  • 虛短:正負輸入端電流為0

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