運算放大器常見參數解析

1、運放常見參數總結1.輸入阻抗和輸出阻抗（Input Impedance And Output Impedance）一、輸入阻抗 輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個電壓源U，測量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端，這個電阻的阻值，就是輸入阻抗。 輸入阻抗跟一個普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅動的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅動，也不會對信號源有影響；而對于電流驅動型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。因此，我們可以這樣認為：如果是用電壓源來驅動的，則輸入阻抗越

2、大越好；如果是用電流源來驅動的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題。另外如果要獲取最大輸出功率時，也要考慮阻抗匹配問題二、輸出阻抗無論信號源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內阻。本來，對于一個理想的電壓源（包括電源），內阻應該為0，或理想電流源的阻抗應當為無窮大。輸出阻抗在電路設計最特別需要注意但現實中的電壓源，則不能做到這一點。我們常用一個理想電壓源串聯(lián)一個電阻r的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r，就是（信號源/放大器輸出/電源）的內阻了。當這個電壓源給負載供電時，就會有電流I從這個負載上流過，并在這

3、個電阻上產生Ir的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率（關于為什么會限制最大輸出功率，請看后面的“阻抗匹配”一問）。同樣的，一個理想的電流源，輸出阻抗應該是無窮大，但實際的電路是不可能的三、阻抗匹配阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。 我們先從直流電壓源驅動一個負載入手。由于實際的電壓源，總是有內阻的（請參看輸出阻抗一問），我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯(lián)的模型。假設負載電阻為R，電源電動勢為U，內阻為r，那么我們可以計算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r)，可以看出，負載電阻

4、R越小，則輸出電流越大。負載R上的電壓為：Uo=IR=U/1+(r/R)，可以看出，負載電阻R越大，則輸出電壓Uo越高。再來計算一下電阻R消耗的功率為：P=I2R=U/(R+r)2R=U2R/(R2+2Rr+r2) =U2R/(R-r)2+4Rr =U2/(R-r)2/R+4r對于一個給定的信號源，其內阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中(R-r)2/R，當R=r時，(R-r)2/R可取得最小值0，這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4r)。即，當負載電阻跟信號源內阻相等時，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對于純電阻電路，此結論同樣適用于

5、低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等，虛部互為相反數，這叫做共扼匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負載之間的情況，因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因為線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的）。從以上分析我們可以得出結論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負載R；如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負載R；如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內阻匹配的電阻R。有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計

6、的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時，在負載端就會產生反射。為什么阻抗不匹配時會產生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結構以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關。例如，常用的閉路電視同軸電纜特

7、性阻抗為75，而一些射頻設備上則常用特征阻抗為50的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300的扁平平行線，這在農村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為75，所以300的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機的附件中，有一個300到75的阻抗轉換器（一個塑料封裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大）。它里面其實就是一個傳輸線變壓器，將300的阻抗，變換成75的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強調一點的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關，也不能通

8、過使用歐姆表來測量。為了不產生反射，負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，會產生震蕩，輻射干擾等。當阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉換，就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián)/

9、并聯(lián)電阻的辦法。一些驅動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數據線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。 為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設你在練習拳擊打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不了了這就是負載過重的情況，會產生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會

10、撲空，手也可能會受不了這就是負載過輕的情況。另一個例子，不知道大家有沒有過這樣的經歷：就是看不清樓梯時上/下樓梯，當你以為還有樓梯時，就會出現“負載不匹配”這樣的感覺了。當然，也許這樣的例子不太恰當，但我們可以拿它來理解負載不匹配時的反射情況2.穩(wěn)定時間（Stable Time）穩(wěn)定時間ts被定義為在輸入端階躍信號的作用下，輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定的終值誤差帶以內所需的時間。也被稱為總響應時間。一個信號在通過運放內部的電路時，總要花費一定的時間。因此，輸出端要花費一定的時間來對輸入端的階躍信號進行響應。此外，輸出端一般會超調，然后經歷一段時間的震蕩后才穩(wěn)定在終值上。在采集系統(tǒng)中，信號變化快速時，穩(wěn)定

11、時間是設計過程中的重要問題。例如當用運放對一個集線器輸出的信號進行緩沖時，然后將信號給AD，在集線器切換通道時，輸入端就會感受到一個階躍變化。只有當運放的輸出穩(wěn)定在某個值后，AD才能進行采樣。3.與頻率相關的參數（Parameter Relate to Frequency）在運放的參數中，有5個參數與頻率特性有關系，它們是：單位增益帶寬、增益帶寬積、單位增益時的相位裕度、增益裕度、最大輸出擺幅帶寬。單位增益帶寬和增益帶寬積很相似，單位增益帶寬是運放增益為1時的頻率。增益帶寬積是開環(huán)增益與該點頻率乘積。對于電壓反饋運放，增益帶寬積是一個常數，而對于電流反饋運放，該參數無意義。因為增益與頻率不是線

12、性關系。在選擇運放時要考慮增益帶寬積和擺率。相位裕度是信號180度時的相移與單位增益處相移之差的絕對值。相位裕度是開環(huán)測量的。增益裕度是單位增益與180度相移時增益之差。相位裕度和增益裕度是確定電路穩(wěn)定性的兩種方法。由于軌到軌輸出的運放有較大的輸出阻抗，所以再驅動容性負載時會產生很大的相移。這個額外的相移會使相位裕度變壞。由于這個原因，大多數軌到軌輸出的CMOS運放在驅動容性負載時，只有有限的驅動能力。最大輸出擺幅帶寬BOM是輸出擺幅超出某個規(guī)定值或者輸出仍處于運放線性區(qū)內的那個最高頻率。最大輸出擺幅帶寬受到擺率限制。當頻率越來越高時，輸出受限于擺率，就不能以足夠快的響應來維持指定的輸出電壓擺

13、幅。為了使運放穩(wěn)定，在運放的內部第二級上，通過加補償電容來實現頻率補償，被稱為主極點補償。這種方法使運放在相移到180前，增益降為1.4.輸入噪聲（Input Noise） 每個運放都有內部寄生噪聲，運放的噪聲是通過在輸出端測量然后換算到輸入端的。1.Spot Noise在噪聲的頻譜密度中，可以看出噪聲主要有粉噪聲和白噪聲構成，粉噪聲與頻率成反比，在低頻時有意義。白噪聲的頻譜密度是平滑曲線。在運放的參數中一般給出10Hz和1KHz頻率時的噪聲密度。10Hz時主要是粉噪聲，而1KHz時為白噪聲。兩者之間有轉折頻率來區(qū)分。2.寬帶噪聲寬帶噪聲被定義為在一個指定頻帶內的峰峰電壓，典型的頻帶值有0.1

14、Hz-1Hz或0.1Hz到10Hz。當運放的內部結構保持不變時，增加偏置電流會降低噪聲（同時會增加SR，GBW和功耗）。從運放輸入端想運放看進去的電阻值也會增加噪聲。對同相和反相端進行電阻平衡時，雖然有助于對輸入偏流引起的失調進行調零，但卻增加了電路噪聲。5.擺率（Swingrate） 擺率SR是由階躍變化引起的輸出電壓的變化速率。它的單位是V/S。如下圖生動展示了擺率。運放的擺率等于它可以傳遞的信號的擺率的最大值，這時增益一般規(guī)定為1，因此有時擺率又稱單位增益擺率。當運放在傳遞信號時，如果要求不會因SR太慢而使信號失真，那么，放大器的擺率必須至少要等于信號的最大擺率。一個正弦波的最大擺率出現

15、在過零點時，SR=2*pi*f*V.f為信號頻率，V為信號的峰值電壓。因此，SR/(2*pi*f)可以求出最大不失真輸出電壓。SR有時被表示為SR+和SR-。其中SR+表示正向轉移的擺率，SR-表示負向轉移時的擺率。在實際應用中，兩者相等，運放工作最好。大多運放中，影響SR的因素是內部補償電容Cc，如圖內部補償電容是為了讓運放單位增益穩(wěn)定。在運放的第二級，電壓的變化快慢受到電容充放電快慢的限制。當差分對兩端輸入電流為2IE時，電容的充放電最快，因此SR=2IE/Cc。并不是所有的運放都有內部補償電容，無內部補償電容的運放，SR決定于內部分布電容。無內部補償電容的運放有更寬的帶寬和更高的SR，但

16、設計時必須確保電路穩(wěn)定。電流反饋運放能提供最快的SR，這種運放是專門為快速SR而優(yōu)化的。在具體選擇運放時，必須同時考慮SR和帶寬。運放的功耗換得了噪聲和速度，于此相關，要增大擺率就要增加運放偏置電流。6.電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio）輸入失調電壓kSVR（PSRR）是指運放的電源變化時對輸出的影響。被定義為電源電壓的改變量與由此引起的輸入失調電壓改變量之比的絕對值。同共模電壓一樣，會影響輸入端差分對的偏置點，造成失調電壓改變，從而影響輸出電壓。對于雙電源kSVR=正負電源變化量/失調電壓變化。電源的變化是指正負電源對地的改變。對于單電源kSVR=電源變化

17、量/失調電壓變化。由于電源抑制比與共模抑制比的產生機理相同，因此，在datasheet中也被歸為直流參數。隨著頻率的增加下降。開關電源產生的噪聲頻率從50kHz到500kHz，甚至更高。在高頻下，PSRR基本為0，因此要采取合適的旁路措施。7.共模抑制比CMRR共模抑制比定義為差分電壓放大倍數與共模電壓放大倍數之比。理想情況下，共模抑制比為無窮大。共模輸入電壓會影響到輸入差分對的偏置點。由于輸入電路內部固有的不匹配，偏置點的改變會引起失調電壓改變，進而引起輸出電壓改變。其實際的計算方法是失調電壓變化量比共模電壓變化量。在datasheet中該參數一般為直流參數，隨著頻率的增加而降低。一般50H

18、z或60Hz的AC噪聲是共模干擾電壓源。設計時務必要注意，防止CMRR不會因其他的電路元件而降低。采用大電阻電路時，易受到共模噪聲的干擾，可以成比例的降低電阻或成比例的增大電容，保持電路響應不變。8.輸出阻抗（Output Impedance）通常在不同的datasheet中，輸出阻抗的測量是在兩種不同的條件下：（1）閉環(huán)條件下；（2）開環(huán)條件下。但是它們都是Zo。它是一個與頻率有關的小信號阻抗，一般值在50歐到200歐之間。共射極和共源級構成的輸出軌到軌運放的輸出阻抗一般比設計跟隨電路的輸出阻抗大。當采用輸出軌到軌運放時來驅動重載時（阻抗值低），輸出阻抗在設計中要考慮。如果電阻是阻性的，輸出

19、阻抗限制了輸出電壓接近于電源電壓。如果是容性負載，會產生相移。上圖顯示的即為阻性負載和容性負載的情況。假設輸出阻抗為阻性。容性負載時應乘AVD?，F在很多新的音頻運放設計成可直接驅動揚聲器或耳機。這些運放可以獲得非常低輸出阻抗。9.輸入端寄生參數（Terminal of Input Parasitic Parameter）上圖所示為每個輸入端對地和兩個輸入端之間的寄生電阻和電容。由于在低頻時，寄生電感的影響較小，未畫出。信號源內阻較高時，輸入阻抗需要考慮。1.輸入電容輸入電容Ci是兩個輸入端之間的電容，其中這兩個輸入端中有一個是接地的。其值一般為幾個pF。上圖中如果Vp接地，那么輸入電容為Cd|

20、Cn。有時共模輸入電容Cic在datasheet中是詳細說明的。上圖中Vp和Vn短接，則Cic=Cp|Cn。Cic是一個以地為參考的共模輸入信號源的輸入電容。2.輸入電阻輸入電阻ri是當任意一輸入端接地時的兩個輸入端之間的電阻。上圖中，如果Vp接地，則ri=Rd|Rn。輸入電阻一般在1071012的范圍變動，與輸入級的結構有關。有時共模輸入電阻ric在datasheet中會說明。圖中把Vp和Vn短接，ric=Rp|Rn。共模輸入電阻是一個以地為參考的共模信號源的輸入電阻10.差分大信號電壓放大倍數（Differential Large Signal Voltage Gain）差分大信號電壓放大

21、倍數AVD被定義為輸出電壓的變化量與兩個輸入端之間電壓變化量之比。AVD與放大器的開環(huán)增益AOL類似，唯一不同的是AOL是在無載的情況下測量的。但兩者都是在開環(huán)下測量的。在設計增益要求比較精確時，該參數要考慮。是反饋系數，當AVD很大時，回路的放大倍數才決定于反饋。11.最大峰峰電壓輸出擺幅（Maximum Peak-peak Voltage Output Swing）最大峰峰輸出電壓擺幅參數VOM被定義為當運放用雙極性電源工作時可以達到的不削波的最大峰峰值輸出電壓。也可以理解為靜態(tài)DC輸出電壓等于0時可以達到的不削波的最大正或負峰值輸出電壓。其受運放的輸出阻抗、輸出晶體管飽和壓降和電源電壓限

22、制。一般運放輸出級為射極跟隨結構，電路圖為這種射極跟隨電路無法把輸出電壓等于電源的任何一個端電壓。而軌到軌運放采用了共射極（雙極）或共源級（CMOS）的輸出級，輸出電壓擺幅僅受輸出管的飽和壓降（雙極）或接通電阻（CMOS）以及負載電流的限制。有的手冊中用VOH和VOL來代表該參數。運放不能驅動到電源電壓，就損失了動態(tài)范圍。在設計時要考慮改參數。單電源系統(tǒng)中，當運放被用以驅動模數轉換器輸入電路時，模數轉換是對正電源與地之間的滿幅輸入電壓進行采樣的。12.差分輸入電壓范圍（Differential Input Voltage Ranges） 差分輸入電壓參數VID被定義為同相輸入端相對于反相輸入端的電壓。 通常以極限值列出，超過該值時，器件會損毀。 在運放的內部電路中，一般都采取了對該參數的保護措施。在設計中一般不用考慮該參數的造成的問題。13.共模輸入電壓范圍（Common Mode Input Voltage Ranges）共模輸入電壓范圍參數VICR被定義為一個電壓范圍：當超過該范圍時，運放停止工作。有時該參數也被用來表示一個使輸入失調電壓保持在一個規(guī)定限度內的輸入電壓范圍。共模輸入電壓時反相和同相端上的平均電壓。如果該電壓過大或過小，運放都將