運放重要參數(shù)介紹PPT

1、運放簡介,儲浙榮 2017.5,2,內(nèi)容,運放參數(shù)分析 對數(shù)放大器電路設(shè)計分析,3,理想運放 Ideal operationalamplifier 定義：輸入阻抗無窮大、輸出阻抗為零、開環(huán)增益無窮大、輸入偏置電流為零、輸入失調(diào)電流及其溫漂為零、增益帶寬積無窮等,4,1.輸入失調(diào)電壓 Vos（Input offset voltage） 定義：開環(huán)狀態(tài)下，為使運放輸出電壓為零，在運放兩個輸入端需加一個小電壓，施加在兩個輸入端電壓之差即為輸入失調(diào)電壓 來源：由于制造工藝原因運放的兩個輸入極的管子不匹配 影響：造成運放輸入誤差 輸入失調(diào)電壓不是固定的，后面會講到它的影響因素,5,2.電源抑制比 PSR

2、R（Power-supply rejection ratio） 定義：當運放供電電壓變化時，會引起運放的輸入失調(diào)電壓變化，兩者之比即為運放電源抑制比。單位uV/V，也有用dB表示的，即將結(jié)果取對數(shù)運算（ PSRR=20*log10(Vsupply / Vos) ） 來源：也是由于制造工藝原因運放的兩個輸入極的管子不匹配 影響：PSRR體現(xiàn)著運放對電源噪聲的抑制能力，這個抑制能力管控著電源噪聲對輸入失調(diào)電壓的影響,6,說明： 1、uV/V與dB定義時分子分母是調(diào)過來的，即uV/V為單位時數(shù)值越小PSRR越好，dB定義時數(shù)值越大PSRR越好； 2、數(shù)據(jù)表中給出的其實是DC-PSRR，AC-PSRR

3、要看數(shù)據(jù)手冊后面的圖表。,7,3.輸入偏置電流和失調(diào)電流 IB(Input bias current) / IOS (offset current) 定義：運放兩個輸入極漏電流的平均值與兩個輸入極漏電流之差 來源：由于制造工藝原因運放的兩個輸入極的三極管或場效應(yīng)管的ESD保護二極管無法做到完全匹配 影響：輸入偏置電流流經(jīng)外面電阻網(wǎng)絡(luò)會轉(zhuǎn)化成失調(diào)電壓，造成輸入誤差。這兩個參數(shù)在微小電流檢測電路應(yīng)用中需要特別關(guān)注，如光電二極管的流壓轉(zhuǎn)換電路。,8,4.噪聲 Noise 定義：噪聲的重要特性之一就是其頻譜密度。電壓噪聲頻譜密度是指每平方根赫茲的有效(RMS) 噪聲電壓（單位為nV/rt-Hz）。 來

4、源：輸入電壓噪聲（EN）、輸入電流噪聲（IN）、設(shè)置放大倍數(shù)的電阻R1 和 Rf 的熱噪聲Noise =(4kTKRf) 噪聲分析：運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲在在極低頻(0.1Hz-10Hz)時主要是 1/f 噪聲，該區(qū)的頻譜密度圖并不平坦。以后主要是白噪聲，該區(qū)的頻譜密度圖較平坦（所有頻率的能量基本相同）。一般數(shù)據(jù)手冊會給出兩張圖說明。,9,關(guān)于噪聲的文章 運算放大器噪聲介紹(一) 運算放大器噪聲介紹(二) 噪聲計算小工具 ,10,5.共模抑制比 CMRR（Common-mode rejection ratio） 定義：差模增益與共模增益的比值，通常用dB表示，即將結(jié)果取對數(shù)運算了。（

5、 CMRR=20*log10(Adm / Acm) ） 來源：由于生產(chǎn)工藝原因現(xiàn)實中的運放的共模增益不為零。具體體現(xiàn)在源極或漏極電阻的不匹配、柵極-漏極之間的結(jié)電容、正向跨導(dǎo)的不匹配、柵極漏電流、拖尾電流源的輸出阻抗等 影響：由于 CMRR 是有限值， 當運放輸入端有共模電壓Vcm 時， 它會引入一個輸入失調(diào)電壓。,11,當共模電壓為 5V 時，這個失調(diào)電壓為1.58uV。對于上圖中的 G=2 的電路，則輸出端誤差為 3.16uV。這對于基準源為 2.5V，雙極性輸入的 24 位 ADC 來說，相當于引起了11 個 LSB 的直流誤差了，直接影響到最后四位的精度了！因此對于高精度的應(yīng)用要特別注

6、意共模抑制比這個參數(shù)。,下面以O(shè)PA388為例計算共模抑制比帶來的誤差。,12,運放的CMRR還受外界條件的影響。從參數(shù)表中可直觀的看到是共模電壓范圍和溫度，實際上還有輸入的頻率影響也挺大。因此在實際應(yīng)用時須注意共模電壓范圍、溫度和頻率。,13,6.開環(huán)增益 AOL（Open-loop voltage gain） 定義：開環(huán)狀態(tài)下（不具有負反饋）運放的放大倍數(shù) 影響：低開環(huán)增益的運放會造成設(shè)計好放大倍數(shù)的電路帶來誤差,14,下面以O(shè)PA388為例設(shè)計成同相放大器來計算開環(huán)增益帶來的誤差。 考慮開環(huán)增益，則電壓增益公式為：,將OPA388的Avol 典型值148dB和最小值120dB分別代入計算

7、得： 100.997964；100.9898 誤差分別為：,誤差提高了一位！,15,運放的AOL受外界條件的影響。從參數(shù)表中可直觀的看到是輸出電壓范圍、溫度和負載大小，實際上還和輸入信號頻率有關(guān)（其實就是運放的另一個重要參數(shù)增益帶寬積）。因此在實際應(yīng)用時須注意輸出電壓范圍、溫度、負載和頻率。,16,7.增益帶寬積 GBW（Gain bandwidth product） 定義：放大器帶寬和帶寬增益的乘積 來源：對于單極點響應(yīng)，開環(huán)增益以6dB/倍頻程下降，即頻率增加一倍，增益會下降兩倍，反之，頻率減半，則開環(huán)增益增加一倍，于是就產(chǎn)生了所謂的增益帶寬積。 影響：超過增益帶寬積值的信號輸入會導(dǎo)致運放

8、輸出增益下降，從而導(dǎo)致運算不正確,17,注意：增益帶寬積的值是有隱含條件的，就是必須在小信號（mV級）下的帶寬，但我們實際應(yīng)用會將信號放大，輸出往往達到幾伏左右。所以會出現(xiàn)一個問題，理論計算明明帶寬夠的，實際電路中測試卻不夠！原因在于大信號帶寬還要關(guān)注另一個參數(shù)壓擺率。,18,8.壓擺率 SR（Slew rate） 定義：運放輸出電壓的最大轉(zhuǎn)換速率，數(shù)學(xué)表達式：(dV/dt)max單位V/us 來源：運放內(nèi)部第二級密勒電容的充電過程的快慢決定了壓擺率的大小 影響：直觀的影響就是使輸出信號的上升或下降的時間延長，從而引起失真,19,以O(shè)PA333為例討論壓擺率對增益帶寬積的影響。數(shù)據(jù)手冊提供的增

9、益帶寬積為350KHz，增益為10時理論上帶寬可以達到35KHz，但根據(jù)實際測試波形，在頻率24KHz時輸出信號已經(jīng)失真！,20,在壓擺率基礎(chǔ)上引申一個新概念全功率帶寬（FPBW），為數(shù)學(xué)推導(dǎo)值，并非運放自帶的實際參數(shù)，數(shù)據(jù)手冊上也沒有，卻對壓擺率選擇有重要參考價值。 對于一個正弦波信號，可用如下數(shù)學(xué)表達式表示： 輸出電壓對時間求導(dǎo)，得： 則最大值為： (dV/dt)max即表示壓擺率，可以看出最大值跟信號的頻率與幅值有關(guān)。,21,若Vp是運放輸出的滿幅度值，則f為全功率帶寬，上述公式表示為 如果想在100KHz以內(nèi)得到正弦波的 10V振幅，按照公式需要壓擺率為6.3V/us 以上的運放。 滿

10、功率帶寬由壓擺率和輸出信號的幅值決定的。也就是壓擺率一定的情況下，輸出信號的幅值越大，全功率帶寬越小。這也就可以解釋為什么理論計算帶寬夠的情況下實際運放輸出還會失真。,22,9.總諧波失真+噪聲 THD+N（Total harmonic distortion+noise） 定義：輸出信號比輸入信號多出的所有諧波成份加噪聲的均方根值與輸入信號基波的均方根值之比。數(shù)學(xué)表達式如下： 其中(Vi) 為失真諧波的電平，(Vn) 為噪聲電壓，(Vf)輸入信號的電平 來源：由系統(tǒng)內(nèi)部非線性效應(yīng)造成,23,實際測試時，一般只測試前5次諧波（26次），因為前5次包含了大部分能量，6次以上的諧波占總諧波的比率已經(jīng)

11、非常小了。 一般來說，總諧波失真在1KHz附近最小，所以大部分運放總諧波失真是用1KHz信號做測試。實際上THD+N與輸入信號的頻率、運放設(shè)計增益、負載等有關(guān)。 實際使用中關(guān)于THD+N兩點提示： 1、數(shù)據(jù)手冊中THD+N是在增益為1，頻率1KHz時測定的，數(shù)據(jù)比較好，但我們實際使用增益變大、頻率變大時THD+N惡化是必然的。 2、目前許多運放號稱軌至軌輸入輸出，當信號接近電源軌時會受非線性效應(yīng)影響， THD+N也會惡化，因此盡量避免使輸出信號太接近電源軌。,24,10.建立時間 Setting time 定義：當運放輸入階躍信號時，運放的輸出響應(yīng)進入并保持在規(guī)定誤差帶所需的時間。這個誤差常見的值為0.1%，0.01% 來源：運放運階躍信號的響應(yīng)是一個含有過沖和振鈴的二階響應(yīng) 影響：如果驅(qū)動 ADC 的運放還沒有達到最終的穩(wěn)定值就被ADC 采樣了。這會