運算放大器的選擇

　　在眾多系統的“模擬連接”電路中，運算放大器都是不可或缺的元件。盡管種類(lèi)和數量繁多，但設計師在選擇運算放大器時(shí)，往往關(guān)注幾個(gè)基本門(mén)類(lèi)中的一種以縮小選擇范圍，但這幾類(lèi)運算放大器的一些假象和誤區將導致次優(yōu)的選擇。

　　微功耗

　　隨著(zhù)電池供電設備的激增，靜態(tài)電流僅1μA(或更低)的低功耗運算放大器變得日益普及。通過(guò)研究放大器級的總靜態(tài)電流可知：為了保持低消耗電流，必須選擇具有兆歐(MΩ)級阻值的反饋網(wǎng)絡(luò )電阻器，這有可能影響放大級的噪聲和準確度指標。放大器負載電流也會(huì )使總消耗電流有所增加。

　　不僅如此，這些超低供電電流放大器的運算速度一般都非常慢(低帶寬)，因此適合于速度較慢的信號。設計師應該牢記的是，由于其功耗很低，所以輸出電流受到限制，從而導致其容性負載驅動(dòng)能力下降。最后(但并非最不重要)的一點(diǎn)是，用戶(hù)應當了解，極低功耗運算放大器的噪聲電平較高，因而極大地限制了其在高精度應用中的推廣使用。

　　實(shí)現極低功耗的另一個(gè)辦法是采用啟動(dòng)(停機)功能來(lái)開(kāi)啟和關(guān)斷放大器。最終的極低功耗解決方案同時(shí)需要低功耗和停機功能，才能實(shí)現數年的連續工作。

　　帶寬

　　在系統設計的許多方面進(jìn)行速度和功耗的權衡折衷是非常普遍的，其中就包括運算放大器的選擇。一般來(lái)講，為了獲得較大的帶寬，就需要消耗更多的功率。然而，在現有的運算放大器當中，在一個(gè)給定的靜態(tài)電流條件下，可獲得的帶寬卻存在著(zhù)顯著(zhù)的差異。

　　在速度/功耗比值的優(yōu)化方面，有些運算放大器明顯占優(yōu)，但卻隱含了一些折中和妥協(xié)。對于容性負載和數據轉換器所施加的令人捉摸不定的負載，速度/功耗比的改善可能降低運放的驅動(dòng)能力。

　　設計師增加速度/功耗比的方法之一是采用所謂“去補償”運算放大器設計。去補償的類(lèi)型可通過(guò)“最小穩定增益”規格或諸如“如果G>3”等描述來(lái)區分。

　　在處于(或高于)其額定最小閉環(huán)增益的電路中使用時(shí)，這些類(lèi)型的運算放大器會(huì )有明顯的優(yōu)勢。必須稍加留意的是，在高頻條件下，采用一個(gè)旨在實(shí)現受控帶寬滾降的反饋電容實(shí)際上將把運算放大器置于單位增益狀態(tài)，并有可能導致不穩定。

　　采用去補償運算放大器時(shí)，諸如濾波器或那些采用罕見(jiàn)反饋網(wǎng)絡(luò )的特殊電路有可能并不穩定。如果感到懷疑，可檢查一下電路對某個(gè)脈沖的響應。振鈴過(guò)大或許意味著(zhù)采用一個(gè)標準的單位增益運算放大器可能是一種更好的選擇。

　　軌至軌運算放大器

　　在選擇運算放大器時(shí)，設計師常常要求其具有軌至軌能力。這似乎是一種顯而易見(jiàn)的選擇，因為許多應用都得益于最大信號擺幅。但可能并不需要真正的軌至軌運算放大器，而且在應用中甚至還會(huì )有不利的一面。

　　軌至軌意味著(zhù)運算放大器具有軌至軌輸入和軌至軌輸出能力。軌至軌輸出只是一個(gè)相對術(shù)語(yǔ)，因為目前尚無(wú)定義該術(shù)語(yǔ)的業(yè)界標準。視負載條件的不同，軌至軌輸出放大器可以在與電源軌相差數毫伏至數百毫伏的范圍內擺動(dòng)。

　　某些用于更高工作電壓的運算放大器，如果其輸出擺幅與電源軌相差不超過(guò)1V，也會(huì )被稱(chēng)為軌至軌輸出。應查看器件數據表“大字標題”以外的數字，以便將輸出擺幅與您的負載條件結合起來(lái)考慮。

　　而且應該了解這樣一點(diǎn)，就是各家制造商所采用的測試方法是不盡相同的。有些制造商采用“沖擊測試”(slam test)來(lái)測量輸出擺幅；為了獲得最大輸出，需對運算放大器進(jìn)行過(guò)驅動(dòng)。

　　當對輸出進(jìn)行輸出擺幅測試時(shí)，用于精密信號處理的運算放大器將確保獲得良好的開(kāi)環(huán)增益，確?？梢暂敵鼋咏娫窜壍臏蚀_的無(wú)失真信號。

　　軌至軌輸入意味著(zhù)輸入信號可以位于電源電壓之間的任何電平上(通常為100mV或更高)。如果需要寬輸出電壓擺幅，則在一個(gè)增益為1的緩沖器配置中就要求具有軌至軌輸入。當閉環(huán)增益大于1時(shí)，可以不要求軌至軌輸入。反相放大器很少需要軌至軌輸入。

　　低電壓操作問(wèn)題

　　低電壓操作至今仍然是另一個(gè)潛在的難以滿(mǎn)足的要求。信號擺動(dòng)電壓變得至關(guān)重要，因為每一毫伏電壓都要計算在內。對非軌至軌型運算放大器必須進(jìn)行非常仔細的檢查，原因是用戶(hù)的操作空間很小。共模電壓范圍和輸出擺幅可能會(huì )因元件的不同以及溫度的變化而存在差異。

　　精度

　　精度是一項常見(jiàn)的設計要求。除了失調電壓之外，一定要考慮失調電壓的溫度變化。低失調電壓可借助激光或其他修正技術(shù)來(lái)實(shí)現，以獲得低初始失調。如果想完成一項耐用的設計，則應對總失調誤差隨溫度的變化情況加以考慮。由于運算放大器的漂移以及所需的溫度范圍各不相同，更低的初始失調可能有助于提高精度，也可能不起作用。

　　采用雙極型輸入晶體管的運算放大器通常能夠提供較好的失調電壓和漂移特性。具有低初始失調的修正器件往往也具有較低的漂移。盡管器件的數據表有時(shí)并未提供所使用的晶體管工藝的相關(guān)信息，但仍然能夠從其較大的輸入偏置電流(一般為1nA或更大)識別出雙極型晶體管。CMOS型晶體管的輸入偏置電流為幾十皮安。

　　為了獲得最佳的精度，自動(dòng)置零或“斬波器”(chopper)型放大器實(shí)現了極低的失調電壓和漂移。由于它們采用了對運算放大器中的不平衡進(jìn)行連續校正的技術(shù)，因此可在很寬的溫度范圍內保持接近于零的失調電壓，實(shí)際上具有了抗老化能力(失調電壓隨時(shí)間的變化很慢)。

　　失調是另一個(gè)起因是放大器的輸入偏置電流。它經(jīng)常被錯誤地當作是“輸入阻抗”，但實(shí)際上是在輸入終端中流動(dòng)的這個(gè)相對較小的輸入偏置電流。

　　輸入偏置電流是流入或流出運算放大器兩個(gè)輸入終端的較小電流。當該電流流經(jīng)源電阻和反饋網(wǎng)絡(luò )時(shí)，它就會(huì )產(chǎn)生失調電壓和漂移。

　　CMOS和FET輸入運算放大器能夠將輸入偏置電流減小至幾乎可以忽略不計的水平。這樣，在溫度保持中等水平的條件下，只有阻抗非常高的特殊應用才會(huì )受到影響。由于CMOS和FET輸入運算放大器的輸入偏置電流會(huì )隨著(zhù)溫度的上升呈指數增加(一般是溫度每升高10℃，輸入偏置電流便加倍)，因此，應核對指示輸入偏置電流隨溫度的變化情況的性能曲線(xiàn)圖。

　　低噪聲

　　許多高性能應用都要求低噪聲。在運算放大器的噪聲規格中，設計師們往往只把注意力放在了“電壓噪聲”上，
他們認為電壓噪聲是產(chǎn)生放大器噪聲的主要根源。然而，運算放大器的總體噪聲性能取決于各噪聲源(電壓噪聲和電流噪聲)的綜合作用。運算放大器的電流噪聲在經(jīng)過(guò)電路阻抗時(shí)會(huì )產(chǎn)生電壓噪聲。而且，電阻器本身還具有一個(gè)與其阻值的方根成正比的固有熱噪聲。

　　對低噪聲的追求可能會(huì )使設計師走入歧途。噪聲最低的運算放大器采用的是雙極型輸入晶體管(而不是CMOS型或JFET型晶體管)，為此付出的代價(jià)是噪聲電流有所增加。為了得到低噪聲電壓的好處，就必須保持較低的電路阻抗。

　　封裝類(lèi)型

　　制造商能否提供單通道、雙通道和四通道型號這一點(diǎn)不應被忽視。不斷變化的系統要求有可能使最完備的計劃被取消，從而迫使設計師改變信號通道的配置或數量。

　　許多運算放大器系列均提供了全部三種封裝型式，從而為設計提供了最大的靈活性。電路板布局的約束條件也會(huì )令最初的設計方案被迫改弦更張。四通道器件給人的最初印象似乎是效率最高，但它們往往會(huì )使電路板布局的復雜程度大為增加。

　　各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。單通道運算放大器可采用SOT23封裝以及結構相似但外形更加小巧的SC70封裝，雙通道器件有SOT23-8封裝，采用WCSP芯片級封裝的運算放大器的占位面積更小。在著(zhù)手尋找運算放大器之前，應該先檢查一下制造能力，因為現有設備未必能處理所有的封裝型式。

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