【技术交流】老司机十问十答 带你实战运算放大器设计

硬件十万个为什么 2017-01-14 23:47

Q1:OPA内部是怎样构成的? “就是一堆晶体管” (参考lm358 diagram) - 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'...

Q1:OPA内部是怎样构成的?

“就是一堆晶体管”

(参考lm358 diagram)

- 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。

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。

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?

放大小信号(或缩小大信号)

阻抗匹配

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。

- 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

做小功率电源

- 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?

- DCDC都不可以,最好尽量是LDO,最次也得7805。

Q5:OPA都有哪些类型?

超低功耗运放(Nano Power OPA):几百nA

低功耗运放(Micro Power OPA):

高速运放(High Speed OPA):重点两个参数:增益带宽积(GBP)和压摆率(SR)

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。)

功率放大器(Power OPA):功放驱动

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

Q6:OPA常用的参数有哪些?

输入失调电压(Input Offset Voltage) Vos

输入失调电压的温漂(Offset Voltage Drift):对Vos的补充

输入偏执电流(Input Bias Current)IB:

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。

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。

ESD和浪涌的区别。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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?

Yes:

大部分运放是可以再开环下工作的

No:

-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。

(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。

-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。

- 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?

直流信号:

- 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。

- 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。

- 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。

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