運(yùn)算放大器的選擇

在眾多系統(tǒng)的“模擬連接”電路中，運(yùn)算放大器都是不可或缺的元件。盡管種類和數(shù)量繁多，但設(shè)計(jì)師在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，往往關(guān)注幾個(gè)基本門類中的一種以縮小選擇范圍，但這幾類運(yùn)算放大器的一些假象和誤區(qū)將導(dǎo)致次優(yōu)的選擇。

微功耗

隨著電池供電設(shè)備的激增，靜態(tài)電流僅1μA(或更低)的低功耗運(yùn)算放大器變得日益普及。通過(guò)研究放大器級(jí)的總靜態(tài)電流可知：為了保持低消耗電流，必須選擇具有兆歐(MΩ)級(jí)阻值的反饋網(wǎng)絡(luò)電阻器，這有可能影響放大級(jí)的噪聲和準(zhǔn)確度指標(biāo)。放大器負(fù)載電流也會(huì)使總消耗電流有所增加。

不僅如此，這些超低供電電流放大器的運(yùn)算速度一般都非常慢(低帶寬)，因此適合于速度較慢的信號(hào)。設(shè)計(jì)師應(yīng)該牢記的是，由于其功耗很低，所以輸出電流受到限制，從而導(dǎo)致其容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力下降。最后(但并非最不重要)的一點(diǎn)是，用戶應(yīng)當(dāng)了解，極低功耗運(yùn)算放大器的噪聲電平較高，因而極大地限制了其在高精度應(yīng)用中的推廣使用。

實(shí)現(xiàn)極低功耗的另一個(gè)辦法是采用啟動(dòng)(停機(jī))功能來(lái)開啟和關(guān)斷放大器。最終的極低功耗解決方案同時(shí)需要低功耗和停機(jī)功能，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)年的連續(xù)工作。

帶寬

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面進(jìn)行速度和功耗的權(quán)衡折衷是非常普遍的，其中就包括運(yùn)算放大器的選擇。一般來(lái)講，為了獲得較大的帶寬，就需要消耗更多的功率。然而，在現(xiàn)有的運(yùn)算放大器當(dāng)中，在一個(gè)給定的靜態(tài)電流條件下，可獲得的帶寬卻存在著顯著的差異。

在速度/功耗比值的優(yōu)化方面，有些運(yùn)算放大器明顯占優(yōu)，但卻隱含了一些折中和妥協(xié)。對(duì)于容性負(fù)載和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所施加的令人捉摸不定的負(fù)載，速度/功耗比的改善可能降低運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)能力。

設(shè)計(jì)師增加速度/功耗比的方法之一是采用所謂“去補(bǔ)償”運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。去補(bǔ)償?shù)念愋涂赏ㄟ^(guò)“最小穩(wěn)定增益”規(guī)格或諸如“如果G>3”等描述來(lái)區(qū)分。

在處于(或高于)其額定最小閉環(huán)增益的電路中使用時(shí)，這些類型的運(yùn)算放大器會(huì)有明顯的優(yōu)勢(shì)。必須稍加留意的是，在高頻條件下，采用一個(gè)旨在實(shí)現(xiàn)受控帶寬滾降的反饋電容實(shí)際上將把運(yùn)算放大器置于單位增益狀態(tài)，并有可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。

采用去補(bǔ)償運(yùn)算放大器時(shí)，諸如濾波器或那些采用罕見(jiàn)反饋網(wǎng)絡(luò)的特殊電路有可能并不穩(wěn)定。如果感到懷疑，可檢查一下電路對(duì)某個(gè)脈沖的響應(yīng)。振鈴過(guò)大或許意味著采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單位增益運(yùn)算放大器可能是一種更好的選擇。

軌至軌運(yùn)算放大器

在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，設(shè)計(jì)師常常要求其具有軌至軌能力。這似乎是一種顯而易見(jiàn)的選擇，因?yàn)樵S多應(yīng)用都得益于最大信號(hào)擺幅。但可能并不需要真正的軌至軌運(yùn)算放大器，而且在應(yīng)用中甚至還會(huì)有不利的一面。

軌至軌意味著運(yùn)算放大器具有軌至軌輸入和軌至軌輸出能力。軌至軌輸出只是一個(gè)相對(duì)術(shù)語(yǔ)，因?yàn)槟壳吧袩o(wú)定義該術(shù)語(yǔ)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。視負(fù)載條件的不同，軌至軌輸出放大器可以在與電源軌相差數(shù)毫伏至數(shù)百毫伏的范圍內(nèi)擺動(dòng)。

某些用于更高工作電壓的運(yùn)算放大器，如果其輸出擺幅與電源軌相差不超過(guò)1V，也會(huì)被稱為軌至軌輸出。應(yīng)查看器件數(shù)據(jù)表“大字標(biāo)題”以外的數(shù)字，以便將輸出擺幅與您的負(fù)載條件結(jié)合起來(lái)考慮。

而且應(yīng)該了解這樣一點(diǎn)，就是各家制造商所采用的測(cè)試方法是不盡相同的。有些制造商采用“沖擊測(cè)試”(slam test)來(lái)測(cè)量輸出擺幅；為了獲得最大輸出，需對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行過(guò)驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)對(duì)輸出進(jìn)行輸出擺幅測(cè)試時(shí)，用于精密信號(hào)處理的運(yùn)算放大器將確保獲得良好的開環(huán)增益，確?？梢暂敵鼋咏娫窜壍臏?zhǔn)確的無(wú)失真信號(hào)。

軌至軌輸入意味著輸入信號(hào)可以位于電源電壓之間的任何電平上(通常為100mV或更高)。如果需要寬輸出電壓擺幅，則在一個(gè)增益為1的緩沖器配置中就要求具有軌至軌輸入。當(dāng)閉環(huán)增益大于1時(shí)，可以不要求軌至軌輸入。反相放大器很少需要軌至軌輸入。

低電壓操作問(wèn)題

低電壓操作至今仍然是另一個(gè)潛在的難以滿足的要求。信號(hào)擺動(dòng)電壓變得至關(guān)重要，因?yàn)槊恳缓练妷憾家?jì)算在內(nèi)。對(duì)非軌至軌型運(yùn)算放大器必須進(jìn)行非常仔細(xì)的檢查，原因是用戶的操作空間很小。共模電壓范圍和輸出擺幅可能會(huì)因元件的不同以及溫度的變化而存在差異。

精度

精度是一項(xiàng)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)要求。除了失調(diào)電壓之外，一定要考慮失調(diào)電壓的溫度變化。低失調(diào)電壓可借助激光或其他修正技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以獲得低初始失調(diào)。如果想完成一項(xiàng)耐用的設(shè)計(jì)，則應(yīng)對(duì)總失調(diào)誤差隨溫度的變化情況加以考慮。由于運(yùn)算放大器的漂移以及所需的溫度范圍各不相同，更低的初始失調(diào)可能有助于提高精度，也可能不起作用。

采用雙極型輸入晶體管的運(yùn)算放大器通常能夠提供較好的失調(diào)電壓和漂移特性。具有低初始失調(diào)的修正器件往往也具有較低的漂移。盡管器件的數(shù)據(jù)表有時(shí)并未提供所使用的晶體管工藝的相關(guān)信息，但仍然能夠從其較大的輸入偏置電流(一般為1nA或更大)識(shí)別出雙極型晶體管。CMOS型晶體管的輸入偏置電流為幾十皮安。

為了獲得最佳的精度，自動(dòng)置零或“斬波器”(chopper)型放大器實(shí)現(xiàn)了極低的失調(diào)電壓和漂移。由于它們采用了對(duì)運(yùn)算放大器中的不平衡進(jìn)行連續(xù)校正的技術(shù)，因此可在很寬的溫度范圍內(nèi)保持接近于零的失調(diào)電壓，實(shí)際上具有了抗老化能力(失調(diào)電壓隨時(shí)間的變化很慢)。

失調(diào)是另一個(gè)起因是放大器的輸入偏置電流。它經(jīng)常被錯(cuò)誤地當(dāng)作是“輸入阻抗”，但實(shí)際上是在輸入終端中流動(dòng)的這個(gè)相對(duì)較小的輸入偏置電流。

輸入偏置電流是流入或流出運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入終端的較小電流。當(dāng)該電流流經(jīng)源電阻和反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生失調(diào)電壓和漂移。

CMOS和FET輸入運(yùn)算放大器能夠?qū)⑤斎肫秒娏鳒p小至幾乎可以忽略不計(jì)的水平。這樣，在溫度保持中等水平的條件下，只有阻抗非常高的特殊應(yīng)用才會(huì)受到影響。由于CMOS和FET輸入運(yùn)算放大器的輸入偏置電流會(huì)隨著溫度的上升呈指數(shù)增加(一般是溫度每升高10℃，輸入偏置電流便加倍)，因此，應(yīng)核對(duì)指示輸入偏置電流隨溫度的變化情況的性能曲線圖。

低噪聲

許多高性能應(yīng)用都要求低噪聲。在運(yùn)算放大器的噪聲規(guī)格中，設(shè)計(jì)師們往往只把注意力放在了“電壓噪聲”上，
他們認(rèn)為電壓噪聲是產(chǎn)生放大器噪聲的主要根源。然而，運(yùn)算放大器的總體噪聲性能取決于各噪聲源(電壓噪聲和電流噪聲)的綜合作用。運(yùn)算放大器的電流噪聲在經(jīng)過(guò)電路阻抗時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓噪聲。而且，電阻器本身還具有一個(gè)與其阻值的方根成正比的固有熱噪聲。

對(duì)低噪聲的追求可能會(huì)使設(shè)計(jì)師走入歧途。噪聲最低的運(yùn)算放大器采用的是雙極型輸入晶體管(而不是CMOS型或JFET型晶體管)，為此付出的代價(jià)是噪聲電流有所增加。為了得到低噪聲電壓的好處，就必須保持較低的電路阻抗。

封裝類型

制造商能否提供單通道、雙通道和四通道型號(hào)這一點(diǎn)不應(yīng)被忽視。不斷變化的系統(tǒng)要求有可能使最完備的計(jì)劃被取消，從而迫使設(shè)計(jì)師改變信號(hào)通道的配置或數(shù)量。

許多運(yùn)算放大器系列均提供了全部三種封裝型式，從而為設(shè)計(jì)提供了最大的靈活性。電路板布局的約束條件也會(huì)令最初的設(shè)計(jì)方案被迫改弦更張。四通道器件給人的最初印象似乎是效率最高，但它們往往會(huì)使電路板布局的復(fù)雜程度大為增加。

各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。單通道運(yùn)算放大器可采用SOT23封裝以及結(jié)構(gòu)相似但外形更加小巧的SC70封裝，雙通道器件有SOT23-8封裝，采用WCSP芯片級(jí)封裝的運(yùn)算放大器的占位面積更小。在著手尋找運(yùn)算放大器之前，應(yīng)該先檢查一下制造能力，因?yàn)楝F(xiàn)有設(shè)備未必能處理所有的封裝型式。

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