十問(wèn)十答帶你實(shí)戰運算放大器設計

　　本文主要講了一下關(guān)于運算放大器設計的一些知識，希望對你的學(xué)習有所幫助。

　　Q1：OPA內部是怎樣構成的?

　　“就是一堆晶體管”

　　- 包含輸入級，中間放大級和輸出級?；趹玫脑?huà)，不用特別關(guān)注內部的結構。

　　- 同相端和反相端輸入地方有等效二極管，就是所謂的ESD保護。一般運放內部都會(huì )做。輸出端也有。但是因為做在芯片內部，所以能力有限，即最大通過(guò)瞬間電流有限。

　　提示：芯片級的ESD等級和產(chǎn)品級的ESD等級完全是兩碼事，遵循的不是一個(gè)規范。

　　芯片規格書(shū)上，ESD指標雖然寫(xiě)著(zhù)2kV ，應用到實(shí)際產(chǎn)品上，如果打2kV靜電上去，是無(wú)法承受的。產(chǎn)品ESD遵循的是IEC61340的標準。所以，設計過(guò)程中，想要通過(guò)選擇自身ESD高的芯片去防止浪涌，是不可取的。

　　所以一般芯片，用靜電槍直接打管腳，能承受400v靜電的已經(jīng)算頂尖芯片了。有的芯片會(huì )直接標機器模式，通常就是400v和200v這樣的值了。

　　Q2:OPA常用封裝有哪些?

　　常見(jiàn)1/2/4路，常用封裝基本都兼容。

　　小提示：設計時(shí)候盡量選通用封裝，否則很容易是Single Source(獨一物料，市面上沒(méi)有兼容的)，結果就是被供應商綁架。

　　日系的很多封裝尺寸很怪異。跟歐美系的很多封裝不一樣。所以選日系芯片的時(shí)候，留個(gè)心眼，一不小心，就是single source了。

　　Q3：OPA都有哪些作用?

　　放大小信號(或縮小大信號)

　　阻抗匹配

　　信號隔離：例如跟隨放大器

　　濾波(低通，高通，帶通濾波等)：一階濾波用的比較多，提示，網(wǎng)上小工具可以用來(lái)計算參數。

　　驅動(dòng)：可以驅動(dòng)音響，驅動(dòng)視頻設備伽馬線(xiàn)，這些應用都要求瞬間輸出電流很大。

　　-運放驅動(dòng)長(cháng)線(xiàn)：線(xiàn)約長(cháng)，分布電容越大，運放驅動(dòng)容性負載，會(huì )產(chǎn)生震蕩

　　做小功率電源

　　-一般運放輸出20-30mA，跟I/O口差不多。

　　-有些特殊運放能夠輸出1-2A比較大電流的，可以當做小功率電源用，很干凈。但是不能做基準源，因為精度不夠。

　　Q4：OPA怎樣供電?

　　- 引用業(yè)內資深專(zhuān)家：如果一個(gè)運放都不舍得用LDO供電，還指望談穩定性?

　　- DCDC都不可以，最好盡量是LDO，最次也得7805。

　　Q5：OPA都有哪些類(lèi)型?

　　超低功耗運放(Nano Power OPA)：幾百nA

　　低功耗運放(Micro Power OPA)：

　　高速運放(High Speed OPA)：重點(diǎn)兩個(gè)參數：增益帶寬積(GBP)和壓擺率(SR)

　　高精度運放(High Precision OPA)：重點(diǎn)兩個(gè)參數：Vos失調電壓(低于采樣電壓的一半)，溫漂

　　低噪聲運放(Low Noise OPA)：常用于腦電波，心率，脈搏等小信號采集

　　差分放大器(Fully Differential OPA)：輸入共模抑制比足夠大(有人拿高精度運放當做差分放大器，為了節省成本，但是效果不行。)

　　功率放大器(Power OPA)：功放驅動(dòng)

　　音頻放大器(Audio OPA)：

　　儀表放大器(Instrumentation OPA)：共模抑制比很高。配合專(zhuān)門(mén)電路，能夠有效去除共模干擾。

　　其他專(zhuān)用型放大器

　　Q6：OPA常用的參數有哪些?

　　輸入失調電壓(Input Offset Voltage) Vos

　　輸入失調電壓的溫漂(Offset Voltage Drift)：對Vos的補充

　　輸入偏執電流(Input Bias Current)IB：

　　輸入失調電流(Input Offset Current)Ios：是IB的補充

　　共模電壓輸入范圍(Input Common-Mode Voltage Range)Vcm：運放在某個(gè)供電下，同相端和反相端給到的最大信號范圍。

　　輸出特性(Output Characteristic)

　　輸出電流限制(Output Current Limit)：關(guān)注這個(gè)參數，主要因為，有些應用要求輸出電流盡量大，比如輸出線(xiàn)很長(cháng)(跳線(xiàn)連接兩個(gè)系統)或者 負載輸入阻抗很小。

　　小提示：如果用長(cháng)線(xiàn)鏈接兩個(gè)系統，輸出要串個(gè)電阻：1)來(lái)限流。2)防止熱插拔瞬間的浪涌。

　　ESD和浪涌的區別。

　　1) 浪涌持續的是毫秒級，ESD靜電只持續微秒或者納秒級別。

　　2) 浪涌一般示波器可以抓下來(lái)。ESD靜電一般示波器是看不到的。

　　工作電壓范圍 VDD

　　靜態(tài)工作電流(Quiescent Current)Iq

　　增益帶寬積(Gain Bandwidth Product)GBP：對交流信號非常重要 ，直流信號可以不用關(guān)注太多。

　　壓擺率(Slew Rate)SR：GBP大，意味著(zhù)SR大;SR值用來(lái)反映跳變沿快慢的。

　　開(kāi)環(huán)增益(Open-Loop Voltage Gain)Aol：常見(jiàn)120db;這個(gè)值越大，留給設計放大倍數的余量越大。也是交流特性，跟頻率密切相關(guān)。

　　電壓噪聲密度(Voltage Noise Density)en：

　　相位裕度(Phase Margin)：越大越好，越穩定

　　共模信號抑制比(Common Mode Rejection)：反映了對共模干擾信號的抑制能力，值越大越好。

　　電源紋波抑制比(Supply Voltage Rejection)：反映了對供電端噪聲的抑制能力，值越大越好。

　　Q7：三極管放大能代替運放放大嗎?

　　Yes：運放內部本身就是一堆晶體管的集成，音樂(lè )發(fā)燒友所推崇的所謂“膽機”，很多就是用分立的晶體管、電子管所設計。

　　No：但是三極管參數一致性差，放大電路批量生產(chǎn)良率低，需要微調參數，生產(chǎn)工藝麻煩。

　　Q8：什么是軌至軌運放?

　　軌(Rail)指的是供電電壓

　　共模輸入電壓(Common Mode Input Voltage)范圍“包含(超過(guò)一點(diǎn))”供電電壓，即所謂軌至軌輸入。

　　輸出電壓范圍“包含(幾乎達到)”供電電壓，即所謂軌至軌輸出。

　　Q9：運放可以用作比較器么?

　　Yes：

　　大部分運放是可以再開(kāi)環(huán)下工作的

　　No：

　　-有一些運放的同相輸入與反相輸入之間有嵌位二極管(差分二極管保護)，用作比較器時(shí)(壓差超過(guò)0.7v)會(huì )導致其中一個(gè)嵌位二極管導通，(如果源輸入阻抗很低，可以供的電流很大)從而有大電流流過(guò)，甚至燒壞芯片。

　　(看差模輸入電壓范圍，這個(gè)參數大，說(shuō)明沒(méi)有嵌位二極管?？梢杂?。)

　　-反應速度慢，即使高速運放，也不夠快。

　　-穩定性不佳，過(guò)載飽和時(shí)恢復時(shí)間長(cháng)。

　　- 輸出無(wú)法真正到軌

　　輸入級由于補償電路作用，可以超過(guò)供電軌，但是輸出級由于晶體管的導通內阻，無(wú)法真正到軌，會(huì )有幾mV~幾十mV的差距。

　　- 輸出誤差和帶負載阻抗相關(guān):負載大,輸出小，負載很重，輸出到電源軌的差距就很大

　　Q10：怎樣選擇合適的運放?

　　直流信號：

　　- 確定信號具體特性：信號范圍，精度。確定好這些參數，甚至就可以直接聯(lián)系FAE來(lái)幫助選型。

　　- 輸入失調電壓(Vos)：根據信號最小值，來(lái)決定，通常取最小信號值的二分之一以?xún)?。例如，最小信號值?mV，那就需要盡量選擇Vos在0.5mV以?xún)鹊?。所有的運放都會(huì )給出該參數。著(zhù)重看最大值，而不是典型值。

　　- 溫漂：看產(chǎn)品輸出地點(diǎn)，環(huán)境溫度可能不同。

　　- 輸入失調電流：如果傳感器帶載能力很差，即輸出阻抗很高，輸出電流小。對運放的輸出失調電流就有要求了，要求輸入運放的電流小，這樣對原信號的分壓就小。

　　- 耗電要求

　　- 工作電壓范圍

　　- 輸入輸出特性： 是否軌對軌的?還是非軌對軌。

　　交流信號

　　-交流信號的具體特性

　　-增益帶寬：待處理信號頻率X放大倍數 X系數(一般取5-10)<=運放帶寬

　　-開(kāi)關(guān)增益

　　-電壓噪聲密度

　　-耗電要求

　　-工作電壓

　　-輸入輸出特性