解析如何正確地選擇運算放大器
在便攜電子領(lǐng)域,設(shè)計師基于多種因素(尺寸、成本和性能),利用他們的專業(yè)知識和最佳判斷來選擇器件。但這些因素通常需要進(jìn)行權(quán)衡,設(shè)計師必須依據(jù)所需的最終產(chǎn)品謹(jǐn)慎選擇元件。幾乎與其它行業(yè)一樣,便攜市場,特別是移動電話市場,通常會同時提供高端(多功能)和低端(廉價)產(chǎn)品。
圖1:運用多個運算放大器減少輸出噪音。
移動電話主板包括不同的元件,如運算放大器、音頻放大器及前置放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和ASIC等。選擇運算放大器之前,設(shè)計師必須考慮封裝選項,以及更小的封裝是否會使性能降低。盡管在便攜產(chǎn)品領(lǐng)域小型封裝很受歡迎,但小型封裝可能會給設(shè)計師帶來麻煩和問題。采用塑料封裝形式的運算放大器,譬如SC70,往往不能達(dá)到與SOIC或MSOP封裝對應(yīng)產(chǎn)品相同的性能。微型芯片級封裝(CSP)(這實質(zhì)上是裸片),暴露于光線下,輸入偏流可能發(fā)生數(shù)百量級的偏移。該封裝形式也容易在組裝期間發(fā)生破裂。
哪些參數(shù)最重要?
在電池供電的應(yīng)用領(lǐng)域—特別是PDA和移動電話,由于電池電壓會隨著干擾而下降,因此應(yīng)選擇PSRR性能好(~80dB)的運算放大器。此外,要注意高增益配置,這是因為耦合到運放中的噪聲將導(dǎo)致噪聲電平升高。電阻器的選擇也十分關(guān)鍵,更大的阻值會產(chǎn)生更高的噪聲。設(shè)計師可以利用4?估算約翰遜噪聲(Johnson noise)或電阻噪聲,這里R的單位是K歐姆,因此100K歐姆電阻產(chǎn)生大約40nV噪聲!
如果運用多個運算放大器,減少噪聲的一個方法是采用圖1所示的方案。該方法可以按因子減少輸出噪聲,這里n是使用的放大器數(shù)量。對于LMV651而言,輸出噪聲將減少到大約12nV/。此外設(shè)計師必須考慮限制帶寬以使噪聲最?。涸O(shè)計師可以將一個小電容與反饋電阻并聯(lián)使用,借此降低噪聲。
運算放大器的選擇也取決于其它的器件。設(shè)計師面對的一個普遍挑戰(zhàn)是為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)選擇合適的運算放大器。盡管市場上有許多類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,但是運算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的匹配規(guī)則卻不一樣,設(shè)計師在做出選擇之前必須認(rèn)真考慮某些準(zhǔn)則。
圖2:在運算放大器輸出端采用簡單的低通濾波器。
大致瀏覽兩種器件的數(shù)據(jù)手冊將提供有用的信息,但這還不夠。首先,挑選供電電壓相同的運算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。然后選擇THD+N小的運算放大器。如果不能查找到失真數(shù)據(jù),就查看輸出阻抗:輸出阻抗小的運算放大器通常意味著更小的THD。速度是另外一個必須考慮的參數(shù),盡管更快的運算放大器速度用起來很舒服,但必須考慮一些折衷因素,譬如更高的功率和偶爾的不穩(wěn)定。
根據(jù)選擇的ADC,設(shè)計師應(yīng)選擇至少為ADC取樣率50倍速度的放大器。轉(zhuǎn)換速率也可能是一個限制因素,設(shè)計師可以根據(jù)2?fVp進(jìn)行計算,這里f是輸入信號頻率,Vp是最大輸出擺幅。例如,頻率為400kHz的100mV輸入信號(增益為10)要求放大器的轉(zhuǎn)換速率至少為2.5V/μs。
一旦確定了這些基本參數(shù),設(shè)計師必須考慮穩(wěn)定時間,該參數(shù)可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。大多數(shù)制造廠商規(guī)定運算放大器的穩(wěn)定時間在特定輸入電壓的0.1%或0.01%范圍內(nèi)。如果設(shè)計要求更高的精度,例如16位,那么就需要滿量程0.0015%范圍的參數(shù)。解決該問題的一個方法是利用下面的公式,基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度來估計運算放大器的穩(wěn)定時間:
這里,N是位數(shù),f是放大器的開環(huán)帶寬。
例如增益為10的運算放大器,如LMV651,精確度為12位時,穩(wěn)定時間大約為1.4μs;精度為16位時,穩(wěn)定時間是1.65μs。該公式只是一個近似算式,沒有考慮到雜散電容、主板電感或模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電容,這些因素都將影響穩(wěn)定時間。
做出最終的選擇之前,最重要的的指標(biāo)之一是運算放大器的噪聲,噪聲較高的放大器會降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度,給系統(tǒng)帶來顯著誤差。開始計算電路總輸出噪聲之前(這可能是一項十分冗長乏味的工作),最好先估計一下。這樣設(shè)計師就知道是否應(yīng)繼續(xù)使用所選的放大器。該估計涉及到運算放大器在相關(guān)帶寬上的綜合電壓噪聲和運放配置的增益。我們可以將該公式表述為:
這里,NG是噪聲增益,en是運算放大器的電壓噪聲,BW是閉環(huán)帶寬。
在圖2的電路中,在輸出端采用簡單的低通濾波器。在該例中,輸出噪聲是在該濾波器帶寬(按1/2πRC計算)下的綜合噪聲。如果采用二階濾波器,帶寬要乘以系數(shù)1.05。
利用上述公式和LMV651電壓噪聲密度(17nV/),圖2電路在100kHz帶寬(濾波器帶寬)下的總輸出RMS噪聲是53.7V。一旦估算出總輸出噪聲,設(shè)計師可以利用下面的公式計算運算放大器的信噪比(SNR):
這里,VFS是滿量程電壓范圍,Eout是上文計算的運算放大器噪聲。例如,2.5V信號產(chǎn)生的信噪比是86.4dB。
然后,設(shè)計師應(yīng)根據(jù)下面的公式計算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總SNR:
ADC121S021的SNR是72.3dB,當(dāng)ADC121S021與LMV651搭配時,總SNR是72.1dB。忽略諧波,設(shè)計師可以將該SNR轉(zhuǎn)換為等效的比特數(shù):ENOB=(SNR-1.76)/6.02,然后根據(jù)等價比特數(shù)確定只損失了大約0.3dB,這相當(dāng)于0.03%總精度誤差。
由于噪聲是特定帶寬下的綜合噪聲,顯然噪聲也與帶寬成比例。換言之,縮減帶寬將減少噪聲;擴展帶寬將增加噪聲。如果決定選擇更高帶寬的濾波器,設(shè)計師應(yīng)考慮選擇更低噪聲的放大器。例如,圖2電路中的10MHz濾波器產(chǎn)生不足71dB的總SNR,導(dǎo)致0.5比特?fù)p失。但將LMV791(5.8nV/)與相同的濾波器搭配使用時,SNR提高到72dB以上。設(shè)計師只要簡單的選擇更低噪聲的運算放大器就可以提高系統(tǒng)的精度。但必須考慮與此相關(guān)的各種折衷因素,例如功耗和封裝尺寸。
待考慮的其它規(guī)格指標(biāo)
至此,我們討論了為設(shè)計選擇器件的基本原則和規(guī)則,但還有其它的一些因素有待考慮。例如,對于要求更高精度的應(yīng)用,DC指標(biāo)(譬如輸入偏移電壓和漂移)可能非常重要。