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。
2 F9 c& `8 E4 Z; d　　Q1：OPA内部是怎样构成的？! W% A5 D( M- N& _6 l4 k1 N" E
　　“就是一堆晶体管”

, c9 `0 J- @7 `9 M6 T/ f) {　　- 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。
6 `8 w8 N  e9 f+ x2 z　　- 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。
6 s& P& H5 H) n) k6 D' c4 ?　　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。
  h  Q# W+ n( B$ y% E4 p　　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。
  g. v- U) k: y& }3 A) a! }& V　　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。8 C; \% {7 s- w1 h% o! t4 M$ K' n
　　Q2:OPA常用封装有哪些？
( l2 m9 E6 W4 V) E8 N& J　　常见1/2/4路，常用封装基本都兼容。$ {7 o3 I; n7 t5 K8 w
　　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。
/ I& |# [7 a5 ?( K　　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。) X, x4 B; M& t1 n/ s5 ^
　　Q3：OPA都有哪些作用？* [; w; ^+ ?& k
　　放大小信号（或缩小大信号）
( W) i) `/ J* ?: S8 T　　阻抗匹配
7 Q+ Y( _) q: t3 X# c% }　　信号隔离：例如跟随放大器
& b& b- T* c  Q　　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。: B. F! e; U0 B2 u% A$ a
　　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。
1 \7 F, P# k8 c% o6 l　　-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
8 w- J  q) M4 q' Q6 R4 y2 ~  U　　做小功率电源# |: l; @# n! @" b- S$ u, A* Z
　　-一般运放输出20-30mA，跟I/O口差不多。
4 q% R' z1 |  v% b- Z. L1 b　　-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。
6 Y( l' |2 F: u$ B" M& o7 d* h　　Q4：OPA怎样供电？1 {/ q. E; e& N
　　- 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？
% c$ d8 T0 I0 b# D　　- DCDC都不可以，最好尽量是LDO，最次也得7805。
! {# l% S/ t1 x7 U* O: L( C　　Q5：OPA都有哪些类型？, A+ T% M+ P. `
　　超低功耗运放（Nano Power OPA）：几百nA
% v) ^0 [# N/ s( E　　低功耗运放（Micro Power OPA）：7 D" Q) d' Y8 v; b1 N' B/ E
　　高速运放（High Speed OPA）：重点两个参数：增益带宽积（GBP）和压摆率（SR）
9 O+ U# S: u# x, s　　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
8 j* e! o4 o  U6 k% {5 F　　低噪声运放（Low Noise OPA）：常用于脑电波，心率，脉搏等小信号采集
8 b# s" [7 d( e　　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。）0 ?+ Z( @; c! G1 I2 M6 l8 T
　　功率放大器（Power OPA）：功放驱动
- X$ D" Y3 o6 {6 Y　　音频放大器（Audio OPA）：
7 T6 [0 X! t; H4 ?' t4 R- y　　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。5 L& a' F6 |" T" F
　　其他专用型放大器, n- Z* C# y9 E. n- z
　　Q6：OPA常用的参数有哪些？
/ e& T. ?7 C4 h: _" |& y　　输入失调电压（Input Offset Voltage） Vos
3 ?( E; S3 Z, k7 ]　　输入失调电压的温漂（Offset Voltage Drift）：对Vos的补充
& Q- k: n  ]  G4 M　　输入偏执电流（Input Bias Current）IB：
1 q+ M: j! n$ _3 [7 u　　输入失调电流（Input Offset Current）Ios：是IB的补充2 A  Z$ t; Z, S0 x2 D2 y9 O
　　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。/ p$ }; k. Z4 c# Q
　　输出特性（Output Characteristic）
2 j" l+ P. B, `　　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。
8 C+ \# Z+ G* ]7 w3 a　　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。$ s. ^4 f1 e, |5 f7 x% \" M
　　ESD和浪涌的区别。
+ X  m1 N' }, N# w1 Y( c　　1） 浪涌持续的是毫秒级，ESD静电只持续微秒或者纳秒级别。
3 G6 Z: g* p2 x+ q0 o( `　　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。
, g, @+ |5 H( b" F* ^4 t2 {$ i, A　　工作电压范围 VDD5 T5 _0 ^* @+ w0 A  z" H) U4 E
　　静态工作电流（Quiescent Current）Iq  V+ g2 Y- r7 m$ Q' w+ a, g2 ]
　　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。
% T, I0 W1 H; G6 Y8 K) k　　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。+ g7 i6 E0 T( @8 Z" C
　　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。
. h, F+ C5 Q  |4 g　　电压噪声密度（Voltage Noise Density）en：- F: _/ Z5 k+ E* k
　　相位裕度（Phase Margin）：越大越好，越稳定3 O4 ?4 M4 U$ b  U" i) \+ 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。2 k% [" e  q: E7 D! v" f0 J# V
　　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。6 G9 J0 T2 R7 Z- N2 {
　　Q7：三极管放大能代替运放放大吗？
% @3 Q& y  ?. y" ?　　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。
* l, Q) p) G( D　　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。
# C: K+ }6 f; F, z" v5 s　　Q8：什么是轨至轨运放？' F* t) x5 s2 q3 C
　　轨（Rail）指的是供电电压
& ~  S+ d7 v0 Y! D# v( {　　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。7 E1 \- Z7 f4 B. X
　　输出电压范围“包含（几乎达到）”供电电压，即所谓轨至轨输出。5 i5 x" a" D0 C5 L
　　Q9：运放可以用作比较器么？
; p! u# ~! `) w- A3 i" U7 h' k　　Yes：
2 A7 R) K8 H/ v　　大部分运放是可以再开环下工作的
$ p0 ]8 `- [# F$ V$ H　　No：- j" f5 P) B1 x! l
　　-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。
8 x( a, R# i0 B6 X# 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。）% C) m1 W8 E. ?# F$ d/ k4 f/ u
　　-反应速度慢，即使高速运放，也不够快。
2 _& R/ h* a" S( v. O; I　　-稳定性不佳，过载饱和时恢复时间长。

; Q$ c6 }8 `8 ~% c$ O2 a: [. s7 ^
　　- 输出无法真正到轨
- \3 C$ t7 t( U9 z　　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。
3 k4 Q4 w  K2 L7 @% N5 t1 y- K　　- 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/ _5 d& H" T0 v8 v" P6 a, N
　　Q10：怎样选择合适的运放？7 t* T& ]8 X$ h
　　直流信号：
  O/ w: z$ Q* `; Q( r' ^　　- 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。
% x) p: \9 u+ F　　- 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。
+ s+ z4 x' Z3 z* `9 Q/ o　　- 温漂：看产品输出地点，环境温度可能不同。
" O+ S! e* I. Q9 ?( _! k　　- 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。& a  _3 z0 e  x, m7 i. Z' [
　　- 耗电要求% d- q2 O0 m' ^7 Z+ m  \% `/ ~5 ?$ B
　　- 工作电压范围, K! I  I, G6 ~% J, d6 }! v0 Q
　　- 输入输出特性： 是否轨对轨的？还是非轨对轨。
4 R) s, u- B6 L) @- T　　交流信号2 p! T, A; J9 Z8 a
　　-交流信号的具体特性
! q3 G1 m$ q4 C* t/ A0 s+ [　　-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 v2 c7 ^' E9 f6 R  Q0 D7 |* V　　-开关增益
8 C4 i8 o3 o% ~' x+ K　　-电压噪声密度0 q, g9 J7 ]; F: [) \1 ?. }) g4 O
　　-耗电要求
+ Q3 X! f& L$ J( s$ a& T　　-工作电压; q. D8 ]7 ?0 o& N' `. u- I
　　-输入输出特性