大神带你实战运算放大器设计

Allevi

大神带你实战运算放大器设计

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　　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。
　　Q1：OPA内部是怎样构成的？
　　“就是一堆晶体管”

　　- 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。
　　- 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。
2 M; X) R& `0 J" s, ^　　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。
　　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。
1 V9 p4 l) Q' x/ Y& q7 z2 S　　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。
　　Q2:OPA常用封装有哪些？
　　常见1/2/4路，常用封装基本都兼容。
　　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。
　　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。
　　Q3：OPA都有哪些作用？
) a; z1 e; k! P　　放大小信号（或缩小大信号）
　　阻抗匹配
1 k+ @2 \; q* ?- _+ R　　信号隔离：例如跟随放大器
　　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。
　　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。
! F+ x" Y" C* c0 l+ Z　　-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
5 z# Q/ I4 T: @4 N' P　　做小功率电源
3 M" ~, f* Z5 @/ J2 Q1 I　　-一般运放输出20-30mA，跟I/O口差不多。
　　-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。
　　Q4：OPA怎样供电？
　　- 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？
9 T5 B( e  Y/ h  w. D" Z' K7 X6 ]　　- DCDC都不可以，最好尽量是LDO，最次也得7805。
　　Q5：OPA都有哪些类型？
. |7 U, [1 J& [! v1 I4 A9 |8 t　　超低功耗运放（Nano Power OPA）：几百nA
　　低功耗运放（Micro Power OPA）：
  d, q! L% X5 I# t1 Y$ p0 `　　高速运放（High Speed OPA）：重点两个参数：增益带宽积（GBP）和压摆率（SR）
6 ?( z4 \0 i5 y3 a6 m( n: I　　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
　　低噪声运放（Low Noise OPA）：常用于脑电波，心率，脉搏等小信号采集
　　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。）
" d3 }: e" \: Z9 `2 V) W, c　　功率放大器（Power OPA）：功放驱动
( c" f( S( p6 v9 V* K, y　　音频放大器（Audio OPA）：
　　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。
　　其他专用型放大器
6 _" ~% ~/ M+ P* v) W' [/ f; b  m　　Q6：OPA常用的参数有哪些？
　　输入失调电压（Input Offset Voltage） Vos
% b. t' o: Q. T4 E& ?　　输入失调电压的温漂（Offset Voltage Drift）：对Vos的补充
1 R. `  _. \" Y2 a) r& w2 d1 R　　输入偏执电流（Input Bias Current）IB：
# N  I# x8 X9 C& H/ x, y2 g* P　　输入失调电流（Input Offset Current）Ios：是IB的补充
　　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。
　　输出特性（Output Characteristic）
　　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。
# o5 Y4 ?' z3 O5 E  }- `8 x　　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。
9 b+ v3 y  g, z' \　　ESD和浪涌的区别。
: y9 b9 T; ~7 Y/ ?/ \0 q　　1） 浪涌持续的是毫秒级，ESD静电只持续微秒或者纳秒级别。
　　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。
　　工作电压范围 VDD
　　静态工作电流（Quiescent Current）Iq
5 H3 U0 e6 K; T: }) O  h　　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。
8 P# A6 L5 w8 v; u) s$ G: X# W, V　　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。
" I8 L' ^3 j0 i$ e; }# Y$ l2 U- t　　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。
: a9 A* L2 r% W6 S3 @　　电压噪声密度（Voltage Noise Density）en：
　　相位裕度（Phase Margin）：越大越好，越稳定
　　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。
0 j9 z& w$ x) L. Z' A, T　　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。
: ?& W  M! z' B+ k8 L% |5 T　　Q7：三极管放大能代替运放放大吗？
　　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。
　　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。
　　Q8：什么是轨至轨运放？
　　轨（Rail）指的是供电电压
　　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。
　　输出电压范围“包含（几乎达到）”供电电压，即所谓轨至轨输出。
　　Q9：运放可以用作比较器么？
# f8 i6 F# e2 c( Y8 {$ R　　Yes：
! x. ^0 Q2 E( o% V+ @5 N6 r　　大部分运放是可以再开环下工作的
　　No：
, q& r6 |. h$ C  M" x' q　　-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。
, b/ V! ], a4 U4 y; W: ?8 I- m　　（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。）
　　-反应速度慢，即使高速运放，也不够快。
2 n$ ]+ c. B8 K; [* W　　-稳定性不佳，过载饱和时恢复时间长。

　　- 输出无法真正到轨
　　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。
# k2 u7 c' J2 }3 r3 i! u- [　　- 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
　　Q10：怎样选择合适的运放？
) m; k3 X8 Q0 H2 W, M$ A　　直流信号：
( |$ n- U% r; H- l　　- 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。
, U- I8 Z  Z! r　　- 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。
　　- 温漂：看产品输出地点，环境温度可能不同。
. O. O+ S8 c7 m8 W! f: s* y　　- 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。
　　- 耗电要求
　　- 工作电压范围
　　- 输入输出特性： 是否轨对轨的？还是非轨对轨。
　　交流信号
  N6 |! F4 @& C　　-交流信号的具体特性
; ?9 C1 q0 F- v' C5 v" P3 q　　-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
: m" _  j) l4 L6 B　　-开关增益
　　-电压噪声密度
: N! L2 H$ D) n9 H　　-耗电要求
& ~" \9 j7 P# @% f　　-工作电压
　　-输入输出特性

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