大神带你实战运算放大器设计

　　本文主要讲了一下关于运算放大器设计的一些知识，希望对你的学习有所帮助。
+ S) u: e/ S* j) q7 y　　Q1：OPA内部是怎样构成的？! S. N; {2 m! ]7 f' T+ @/ Z- ~
　　“就是一堆晶体管”

' B/ e4 ?& J3 y1 A& q　　- 包含输入级，中间放大级和输出级。基于应用的话，不用特别关注内部的结构。
- t; ?  d9 p, q* q3 o　　- 同相端和反相端输入地方有等效二极管，就是所谓的ESD保护。一般运放内部都会做。输出端也有。但是因为做在芯片内部，所以能力有限，即最大通过瞬间电流有限。
: Y6 O! y6 i/ f3 n　　提示：芯片级的ESD等级和产品级的ESD等级完全是两码事，遵循的不是一个规范。
. o; S) ^$ `% f. t9 h　　芯片规格书上，ESD指标虽然写着2kV ，应用到实际产品上，如果打2kV静电上去，是无法承受的。产品ESD遵循的是IEC61340的标准。所以，设计过程中，想要通过选择自身ESD高的芯片去防止浪涌，是不可取的。
: h! u6 t* i" J  K; C, m　　所以一般芯片，用静电枪直接打管脚，能承受400v静电的已经算顶尖芯片了。有的芯片会直接标机器模式，通常就是400v和200v这样的值了。
  W7 i' L& I! |. ~　　Q2:OPA常用封装有哪些？9 {4 W8 v* q: j$ p* |3 ~
　　常见1/2/4路，常用封装基本都兼容。
/ ^9 f0 c- ]7 Z: J( Y1 \. P4 j& S　　小提示：设计时候尽量选通用封装，否则很容易是Single Source（独一物料，市面上没有兼容的），结果就是被供应商绑架。
4 c# y2 L8 o% i: _5 |- p　　日系的很多封装尺寸很怪异。跟欧美系的很多封装不一样。所以选日系芯片的时候，留个心眼，一不小心，就是single source了。
/ C. \( {( D1 R+ `6 Q4 m　　Q3：OPA都有哪些作用？6 S7 J1 n% W+ P) M/ M7 q0 c
　　放大小信号（或缩小大信号）- f% J, t! U7 k: o) L8 k
　　阻抗匹配
% v) {- d; W: F) K- |% S　　信号隔离：例如跟随放大器: ]9 F1 x4 }4 `5 {; ^
　　滤波（低通，高通，带通滤波等）：一阶滤波用的比较多，提示，网上小工具可以用来计算参数。" d3 O1 u! h) x  o' j( u8 ~9 O& s
　　驱动：可以驱动音响，驱动视频设备伽马线，这些应用都要求瞬间输出电流很大。
' E. J6 @7 B0 j+ h+ y　　-运放驱动长线：线约长，分布电容越大，运放驱动容性负载，会产生震荡/ v0 t5 W2 |9 |9 D; o2 b
　　做小功率电源
6 U/ U: ~+ ]; a. M　　-一般运放输出20-30mA，跟I/O口差不多。4 I% y- R+ u7 U1 t
　　-有些特殊运放能够输出1-2A比较大电流的，可以当做小功率电源用，很干净。但是不能做基准源，因为精度不够。" g/ ]  _) \: J8 e5 a9 r
　　Q4：OPA怎样供电？
6 Y# F0 |' ^' @$ F　　- 引用业内资深专家：如果一个运放都不舍得用LDO供电，还指望谈稳定性？
' u1 p: `$ [% r# J* ]  h+ v& m/ q  a　　- DCDC都不可以，最好尽量是LDO，最次也得7805。) Z4 n; H' P6 u4 r0 a6 z. E% d; ]
　　Q5：OPA都有哪些类型？
+ z6 j2 n& ?$ n3 [! g　　超低功耗运放（Nano Power OPA）：几百nA2 k5 p" S3 n& c% N
　　低功耗运放（Micro Power OPA）：5 A4 j6 s6 W" c! K. k
　　高速运放（High Speed OPA）：重点两个参数：增益带宽积（GBP）和压摆率（SR）
# S* |9 j4 [* Q# o" f　　高精度运放（High Precision OPA）：重点两个参数：Vos失调电压（低于采样电压的一半），温漂
/ T* o2 s  x, X　　低噪声运放（Low Noise OPA）：常用于脑电波，心率，脉搏等小信号采集
* T: z! [0 l  `2 B! _　　差分放大器（Fully Differential OPA）：输入共模抑制比足够大（有人拿高精度运放当做差分放大器，为了节省成本，但是效果不行。）/ {7 w( @+ U) I0 B% k% Q
　　功率放大器（Power OPA）：功放驱动+ o) l  ~# M8 `8 U- S
　　音频放大器（Audio OPA）：8 Q2 o7 }# ~6 L
　　仪表放大器（Instrumentation OPA）：共模抑制比很高。配合专门电路，能够有效去除共模干扰。
1 k* b8 e9 g) {/ t1 e1 D6 g　　其他专用型放大器3 Y9 p! A- b0 f: @1 W' o
　　Q6：OPA常用的参数有哪些？3 Q+ u4 R/ M& W. X
　　输入失调电压（Input Offset Voltage） Vos- o4 \* |0 T7 M5 |9 W- q. f! m
　　输入失调电压的温漂（Offset Voltage Drift）：对Vos的补充: s4 v0 v" ~9 [+ C; S" @9 I) L
　　输入偏执电流（Input Bias Current）IB：% r: V- f  Q2 o( Q, D0 r* X
　　输入失调电流（Input Offset Current）Ios：是IB的补充
2 F; x9 ~7 N9 L0 G! |+ p　　共模电压输入范围（Input Common-Mode Voltage Range）Vcm：运放在某个供电下，同相端和反相端给到的最大信号范围。+ Q; e; Y7 [1 {% L7 l
　　输出特性（Output Characteristic）
, Z' E! Y; J% L" |! d; X. W+ x8 \5 K　　输出电流限制（Output Current Limit）：关注这个参数，主要因为，有些应用要求输出电流尽量大，比如输出线很长（跳线连接两个系统）或者 负载输入阻抗很小。
3 B2 X) j# b$ @- C, j　　小提示：如果用长线链接两个系统，输出要串个电阻：1）来限流。2）防止热插拔瞬间的浪涌。. T* c2 q  R) t  P2 `% Y3 I' I
　　ESD和浪涌的区别。* b6 U* m9 v* N1 Y
　　1） 浪涌持续的是毫秒级，ESD静电只持续微秒或者纳秒级别。. H. @8 T# d# ], |' r, Y
　　2） 浪涌一般示波器可以抓下来。ESD静电一般示波器是看不到的。
/ Z! |% C3 Z( X. v. {　　工作电压范围 VDD
0 ?. t5 }6 C2 ~6 z& z/ a' x: N' n1 Y　　静态工作电流（Quiescent Current）Iq
) l4 e3 M: n, {8 N1 V& k　　增益带宽积（Gain Bandwidth Product）GBP：对交流信号非常重要 ，直流信号可以不用关注太多。; F7 e" g# x! `2 R5 W6 E7 _; u9 c
　　压摆率（Slew Rate）SR：GBP大，意味着SR大；SR值用来反映跳变沿快慢的。
0 s+ E7 _$ S9 b( P& u　　开环增益（Open-Loop Voltage Gain）Aol：常见120db;这个值越大，留给设计放大倍数的余量越大。也是交流特性，跟频率密切相关。
5 {: O2 E0 U" z! w　　电压噪声密度（Voltage Noise Density）en：
, H( e3 l0 `5 \! w# r2 B" c　　相位裕度（Phase Margin）：越大越好，越稳定: h6 C: f- q  w3 d
　　共模信号抑制比（Common Mode Rejection）：反映了对共模干扰信号的抑制能力，值越大越好。4 [& Q) e$ n- M9 @: w$ \
　　电源纹波抑制比（Supply Voltage Rejection）：反映了对供电端噪声的抑制能力，值越大越好。
$ [/ `& [, h) F; E/ x, C" I6 |　　Q7：三极管放大能代替运放放大吗？
3 V- X, a: E" M: @# T0 @　　Yes：运放内部本身就是一堆晶体管的集成，音乐发烧友所推崇的所谓“胆机”，很多就是用分立的晶体管、电子管所设计。* j% e# G0 z7 }7 ^5 a6 T
　　No：但是三极管参数一致性差，放大电路批量生产良率低，需要微调参数，生产工艺麻烦。
* K, S  s. t1 V3 Y' P/ ^　　Q8：什么是轨至轨运放？( X- g! W# t" L. }: c
　　轨（Rail）指的是供电电压
/ R+ v/ S6 @( _, |6 v  k　　共模输入电压（Common Mode Input Voltage）范围“包含（超过一点）”供电电压，即所谓轨至轨输入。4 `) i4 h3 J" [' @% u4 K$ ^. L
　　输出电压范围“包含（几乎达到）”供电电压，即所谓轨至轨输出。
0 c! t1 y0 Z9 H  C# O　　Q9：运放可以用作比较器么？
8 s  Z; P5 r" p0 o　　Yes：
$ ~7 a) D& ^, V. F4 L! D+ P　　大部分运放是可以再开环下工作的
) g. I2 r% }6 n* F　　No：
( |* h( s* ~7 X　　-有一些运放的同相输入与反相输入之间有嵌位二极管（差分二极管保护），用作比较器时（压差超过0.7v）会导致其中一个嵌位二极管导通，（如果源输入阻抗很低，可以供的电流很大）从而有大电流流过，甚至烧坏芯片。
; C4 x7 n7 C3 y  I& _　　（看差模输入电压范围，这个参数大，说明没有嵌位二极管。可以用。）
* x3 I6 o; L3 Y. }  }　　-反应速度慢，即使高速运放，也不够快。
% @, ?# Q7 a% ^6 J# ^1 T4 N" n　　-稳定性不佳，过载饱和时恢复时间长。

2 [) ~; f# H; J* z8 o　　- 输出无法真正到轨: k( [6 O; g! J$ Q2 _( l
　　输入级由于补偿电路作用，可以超过供电轨，但是输出级由于晶体管的导通内阻，无法真正到轨，会有几mV~几十mV的差距。6 o8 l/ k! V( z9 W& ]1 ]' _# o6 ~% O
　　- 输出误差和带负载阻抗相关：负载大，输出小，负载很重，输出到电源轨的差距就很大
# b5 c4 h* j# ^" v* u: q5 \/ D　　Q10：怎样选择合适的运放？( V; A! y  G4 l% C
　　直流信号：
+ F+ ?0 B1 p1 |7 G7 N　　- 确定信号具体特性：信号范围，精度。确定好这些参数，甚至就可以直接联系FAE来帮助选型。0 H9 `& `6 d, }4 c3 R: o
　　- 输入失调电压（Vos）：根据信号最小值，来决定，通常取最小信号值的二分之一以内。例如，最小信号值是1mV，那就需要尽量选择Vos在0.5mV以内的。所有的运放都会给出该参数。着重看最大值，而不是典型值。* |7 l1 I  L* ]4 F# C
　　- 温漂：看产品输出地点，环境温度可能不同。" S+ M$ U. F. w0 d# E
　　- 输入失调电流：如果传感器带载能力很差，即输出阻抗很高，输出电流小。对运放的输出失调电流就有要求了，要求输入运放的电流小，这样对原信号的分压就小。
! j) F( Q3 d5 I' O/ O　　- 耗电要求  h* \  t+ }& H
　　- 工作电压范围
6 D0 h% ~8 _+ O; q) r% K8 ^　　- 输入输出特性： 是否轨对轨的？还是非轨对轨。
7 R; y) w& M& g# M* k0 W( _　　交流信号
' a9 p$ D( b+ X1 _0 K8 K　　-交流信号的具体特性1 @0 _9 h1 u) [; t& \3 E" |$ j" N
　　-增益带宽：待处理信号频率X放大倍数 X系数（一般取5-10）<=运放带宽5 L6 Z5 [4 R" \+ u' s4 D0 Z
　　-开关增益
8 r1 W8 ], r5 g" `0 q0 q　　-电压噪声密度
3 x" U( j9 v, v) s1 O2 w& F2 z/ b, Q　　-耗电要求. z2 b$ `! [9 s! V
　　-工作电压$ |7 l6 j* ~/ R" h$ j& i/ @
　　-输入输出特性