運(yùn)放參數(shù)詳解,超詳細(xì)

1、運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析1輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流一般運(yùn)放的datasheet中會(huì)列出眾多的運(yùn)放參數(shù)，有些易于理解，我們常關(guān)注，有些可能會(huì)被忽略了。在接下來(lái)的一些主題里，將對(duì)每一個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明和分析。力求在原理和對(duì)應(yīng)用的影響上把運(yùn)放參數(shù)闡述清楚。由于本人的水平有限，寫的博文中難免有些疏漏，希望大家批評(píng)指正。         第一節(jié)要說(shuō)明的是運(yùn)放的輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電流Ios .眾說(shuō)周知，理想運(yùn)放是沒(méi)有輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電流Ios .的。但每一顆實(shí)際運(yùn)放都會(huì)有輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電流Io

2、s .我們可以用下圖中的模型來(lái)說(shuō)明它們的定義。         輸入偏置電流Ib是由于運(yùn)放兩個(gè)輸入極都有漏電流（我們暫且稱之為漏電流）的存在。我們可以理解為，理想運(yùn)放的各個(gè)輸入端都串聯(lián)進(jìn)了一個(gè)電流源，這兩個(gè)電流源的電流值一般為不相同。也就是說(shuō)，實(shí)際的運(yùn)入，會(huì)有電流流入或流出運(yùn)放的輸入端的（與理想運(yùn)放的虛斷不太一樣）。那么輸入偏置電流就定義這兩個(gè)電流的平均值，這個(gè)很好理解。輸入失調(diào)電流呢，就定義為兩個(gè)電流的差。         說(shuō)完定義，下面我們要深究一下這個(gè)電流的來(lái)

3、源。那我們就要看一下運(yùn)入的輸入級(jí)了，運(yùn)放的輸入級(jí)一般采用差分輸入（電壓反饋運(yùn)放）。采用的管子，要么是三級(jí)管bipolar，要么是場(chǎng)效應(yīng)管FET。如下圖所示，對(duì)于bipolar,要使其工作在線性區(qū)，就要給基極提供偏置電壓，或者說(shuō)要有比較大的基極電流，也就是常說(shuō)的，三極管是電流控制器件。那么其偏置 電流就來(lái)源于輸入級(jí)的三極管的基極電流，由于工藝上很難做到兩個(gè)管子的完全匹配，所以這兩個(gè)管子Q1和Q2的基極電流總是有這么點(diǎn)差別，也就是輸入的失調(diào)電流。Bipolar輸入的運(yùn)放這兩個(gè)值還是很可觀的，也就是說(shuō)是比較大的，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不得不考慮的。而對(duì)于FET輸入的運(yùn)放，由于其是電壓控制電流器件，可以說(shuō)它

4、的柵極電流是很小很小的，一般會(huì)在fA級(jí)，但不幸的是，它的每個(gè)輸入引腳都有一對(duì)ESD保護(hù)二極管。這兩個(gè)二極管都是有漏電流的，這個(gè)漏電流一般會(huì)比FET的柵極電流大的多，這也成為了FET輸入運(yùn)放的偏置電流的來(lái)源。當(dāng)然，這兩對(duì)ESD保護(hù)二極管也不可能完全一致，因此也就有了不同的漏電流，漏電流之差也就構(gòu)成了輸入失調(diào)電流的主要成份。 下面列表中上表是bipolar的LM741的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流，這個(gè)電流流到外面電阻，即使是K歐級(jí)的，也會(huì)產(chǎn)生幾十uV的失調(diào)電壓，再經(jīng)放大，很容易就會(huì)使輸出的電壓誤差到mV級(jí)。下表則是CMOSFET的OPA369的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流，這兩個(gè)值要小的多

5、了，比較好的COMS運(yùn)放輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流的典型值可以做到小于1pA的目標(biāo)。         這里還要強(qiáng)調(diào)的是，ESD的反向漏電流是與其反相電壓有關(guān)的。因此當(dāng)Vin=(Vcc-Vss)/2 時(shí)，加在兩個(gè)ESD保護(hù)二極管的電壓相當(dāng)，他們的反向電流可以認(rèn)為是近似相等的，此時(shí)理想情況是無(wú)電流流入或流出的，實(shí)際情況是電流達(dá)到最小值。因此這時(shí)有最小的偏置電流，當(dāng)運(yùn)放輸入端電壓Vin不等于(Vcc-Vss)/2，勢(shì)必造成一個(gè)二極管的反向電壓高，另一個(gè)低，此時(shí)兩個(gè)二極管的反向漏電流就不等了，這個(gè)差電流就會(huì)構(gòu)成了輸入偏置電流的主要成份。這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)稱為領(lǐng)節(jié)

6、效應(yīng)。因此要使FET輸入偏置電流最小，就要把共模電壓設(shè)置在(Vcc-Vss)/2處。         上面分析了定義和來(lái)源。下面就要說(shuō)說(shuō)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)電路的影響了，輸入偏置電流會(huì)流過(guò)外面的電阻網(wǎng)絡(luò)，從而轉(zhuǎn)化成運(yùn)放的失調(diào)電壓，再經(jīng)運(yùn)放話后就到了運(yùn)入的輸出端，造成了運(yùn)放的輸入誤差。這也就說(shuō)明了，在反向放大電路中，為什么要在運(yùn)放的同相輸入端連一個(gè)電阻再接地的原因。并且這個(gè)電阻要等于反向輸入端的電阻和反饋電阻并聯(lián)后的值。這就是為了使兩個(gè)輸入端偏置電流流過(guò)電阻時(shí)，形成的電壓值相等，從而使它們引入的失調(diào)電壓為0。這樣說(shuō)，太抽象了

7、，還是看下面一組圖容易理解一些。          再有一點(diǎn)，對(duì)于微小電流檢測(cè)的電路，一般為跨阻放大電路，如光電二極管的探測(cè)電路，一般有用光信號(hào)都比較微弱轉(zhuǎn)化的光電源信號(hào)更微弱，常常為nA級(jí)甚于pA級(jí)。這個(gè)電路的本意是想讓光電流向反饋電阻流動(dòng)從而在放大電路輸出端產(chǎn)生出電壓。如果選用的運(yùn)放的輸入偏置電流過(guò)大，剛這個(gè)微弱的光電流會(huì)有一部分流入到運(yùn)放的輸入端，而達(dá)不到預(yù)設(shè)的I/V線性轉(zhuǎn)化。        還需要注意的一點(diǎn)時(shí)，許多運(yùn)放的輸入失調(diào)電流會(huì)隨著溫度的變化

8、而變化，如下圖所示OPAl350的輸入失調(diào)電流會(huì)在高于25度時(shí)快速的升高。在100度時(shí)的輸入偏置電流是25度時(shí)的幾百倍。如果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，這一因素不得不考慮。以上啰啰嗦嗦的講了運(yùn)放的輸入偏置電流和失調(diào)電流，希望對(duì)大家有用。下一節(jié)中將詳細(xì)剖析其它參數(shù)。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析2如何測(cè)量輸入偏置電流Ib，失調(diào)電流Ios上一節(jié)講了運(yùn)放輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流。這一節(jié)給出輸入偏置電流測(cè)量方式。 總體來(lái)說(shuō)主要有兩種測(cè)試方法， 一種是讓輸入偏置電流流入一個(gè)大的電阻，從而形成一個(gè)失調(diào)電壓，然后放大失調(diào)電壓并進(jìn)行測(cè)量，這樣就可以反算出輸入偏置；另一種方法是讓輸入偏置電流流入一個(gè)電容，用

9、電容對(duì)這個(gè)電流進(jìn)行積分，這樣只要測(cè)和電容上的電壓變化速率，就可以計(jì)算出運(yùn)放的偏置電流。先介紹第一種方法，具體電路如下圖所示，C1是超前補(bǔ)償電容以防止電路的振蕩，根據(jù)實(shí)際電路選擇。OP2是測(cè)試輔助運(yùn)放，需選低偏置電壓和低偏置電流的運(yùn)放。測(cè)試步驟和原理下面一步一步進(jìn)行推算。（1）首先測(cè)試運(yùn)放的失調(diào)電壓。關(guān)閉S1和S2，測(cè)試出OP2運(yùn)放的輸出電壓記下Vout 。則輸入失調(diào)電壓為：（2）打開(kāi)S2,待測(cè)運(yùn)放的Ib+流入R2，會(huì)形成一個(gè)附加的失調(diào)電壓Vos1，測(cè)試出OP2運(yùn)放的輸出電壓記下Vout1。則運(yùn)放同向輸入失調(diào)電壓為：（2）關(guān)閉S2，打開(kāi)S1,待測(cè)運(yùn)放的Ib-流入R1，會(huì)形成一個(gè)附加的失調(diào)電壓Vo

10、s2，測(cè)試出OP2運(yùn)放的輸出電壓記下Vout2。則運(yùn)放反向輸入失調(diào)電壓為：（4）運(yùn)放輸入偏置電流為Ib=(Ib+)+(Ib-)/2 運(yùn)放輸入失調(diào)電流為Ios=(Ib+)-(Ib-)這種測(cè)試方法有幾個(gè)缺點(diǎn)，一個(gè)是使用了很大的電阻R1和R2，一般會(huì)是M歐級(jí)，這兩個(gè)電阻引入了很大的電壓噪聲。受到電阻R1和R2的阻值的限制，難以測(cè)得FET輸入運(yùn)放的偏置電流。 第二種方法測(cè)試方法，是讓運(yùn)放的輸入偏置電流流入電容，具體測(cè)試如下圖。從圖中的公式很容易理解測(cè)試的原理，這個(gè)測(cè)試的關(guān)鍵，是選取漏電流極小的電容。(1)打開(kāi)S1，IB+流入電容C，用示波器觀察Vo的變化，結(jié)果如下圖，按上圖的方法就

11、可以計(jì)算出IB+。 V /mVt /sC /nFIb /nANo.1 IB+1666.689.540.237072(2)關(guān)閉S1打開(kāi)S2，IB-流入電容C，用示波器觀察Vo的變化，結(jié)果如下圖，可以計(jì)算出IB-。(3)再根據(jù)定義就可以計(jì)算出運(yùn)放的輸入偏置電流和失調(diào)電流。 V /mVt /sC /nFIb /nANo.1 IB-443.229.540.13036            這種測(cè)試方法可以測(cè)得fA級(jí)的失調(diào)電流。測(cè)試時(shí)需要選用低漏電流的電容，推薦使用

12、極低漏電流的特氟龍電容，聚丙烯(PP)電容或聚苯乙烯電容。            再分享一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，就是貼片電容在焊接過(guò)程中，由于引腳可能殘留焊錫膏等雜質(zhì)，會(huì)使FET運(yùn)放的漏電流大大的增加。曾經(jīng)測(cè)試一個(gè)偏置電流為小于10pA級(jí)的運(yùn)放，由于沒(méi)有對(duì)引腳 進(jìn)行清洗，結(jié)果測(cè)得結(jié)果出現(xiàn)了很大的誤差，或者叫差錯(cuò)，達(dá)了nA的水平了。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析3輸入失調(diào)電壓Vos及溫漂在運(yùn)放的應(yīng)用中，不可避免的會(huì)碰到運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓Vos問(wèn)題，尤其對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，由于輸入失調(diào)電壓Vos的

13、存在，放大電路的輸出端總會(huì)疊加我們不期望的誤差。舉個(gè)簡(jiǎn)單，老套，而經(jīng)典的例子，由于輸入失調(diào)電壓的存在，會(huì)讓我們的電子秤在沒(méi)經(jīng)調(diào)校時(shí)，還沒(méi)放東西，就會(huì)有重量顯示。我們總不希望，買到的重量與實(shí)際重有差異吧，買蘋果差點(diǎn)還沒(méi)什么，要是買白金戒指時(shí)，差一克可是不少的money哦。下面介紹一下運(yùn)放的失調(diào)電壓，以及它的計(jì)算。最后再介紹一些TI的低輸入失調(diào)電壓運(yùn)放。不足之處，多多拍磚。       理想情況下，當(dāng)運(yùn)放兩個(gè)輸入端的輸入電壓相同時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓應(yīng)為0V，但實(shí)際情況確是，即使兩輸入端的電壓相同，放大電路也會(huì)有一個(gè)小的電壓輸出。如下圖，這就是由運(yùn)放的輸入失調(diào)電

14、壓引起的。        當(dāng)然嚴(yán)格的定義應(yīng)為，為了使運(yùn)放的輸出電壓等于0，必需在運(yùn)放兩個(gè)輸入端加一個(gè)小的電壓。這個(gè)需要加的小電壓即為輸入失調(diào)電壓Vos。注意，是為了使出電壓為0，而加的輸入電壓，而不是輸入相同時(shí)，輸出失調(diào)電壓除以增益（微小區(qū)別）。         運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓來(lái)源于運(yùn)放差分輸入級(jí)兩個(gè)管子的不匹配。如下圖。受工藝水平的限制，這個(gè)不匹配是不可避免的。差分輸入級(jí)的不匹配是個(gè)壞孩子，它還會(huì)引起很多其他的問(wèn)題，以后介紹。         曾經(jīng)請(qǐng)

15、教過(guò)資深的運(yùn)放設(shè)計(jì)工程師，據(jù)他講，兩個(gè)管子的匹配度在一定范圍內(nèi)是與管子的面積的平方根成正比，也就是說(shuō)匹配度提高為原來(lái)的兩倍。面積要增加四倍，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)水平時(shí)，即使再增加面積也不會(huì)提高匹配度了。提高面積是要增加IC的成本的哦。所在有一個(gè)常被使用的辦法，就是在運(yùn)放生產(chǎn)出來(lái)后，進(jìn)行測(cè)試，然后再Trim(可以理解為調(diào)校了)。這樣就能使運(yùn)放的精度大在提高。當(dāng)然，測(cè)試和Trim都是需要成本的哦。所以精密運(yùn)放的價(jià)格都比較貴。這段只當(dāng)閑聊，呵呵。        我們關(guān)注輸入失調(diào)電壓，是因?yàn)樗麜?huì)給放大電路帶來(lái)誤差。下面就要分析它帶來(lái)的誤差。在計(jì)算之前，我們?cè)僬J(rèn)識(shí)一個(gè)讓我們

16、不太爽的參數(shù)，失調(diào)電壓的溫漂，也就是說(shuō)，上面提到的輸入失調(diào)電壓會(huì)隨著溫度的變化而變化。而我們的實(shí)際電路的應(yīng)用環(huán)境溫度總是變化的，這又給我們帶來(lái)了棘手的問(wèn)題。下表就是在OPA376 datasheet上截取下來(lái)的參數(shù)。它溫漂最大值為1uV/(-40to 85)。一大批運(yùn)放的Vos是符合正態(tài)分布的，因此datasheet一般還會(huì)給出offset分布的直方圖。        當(dāng)溫度變化時(shí)，輸入失調(diào)電壓溫漂的定義為：      剛忘記了另一個(gè)重要的參數(shù)，就是運(yùn)放輸入失調(diào)電壓的長(zhǎng)期漂移，一般會(huì)給出類似uV

17、/1000hours或uV/moth等。有些datasheet會(huì)給出這一參數(shù)。     下面舉例計(jì)算一下OPA376，在85時(shí)的最大失調(diào)電壓，主要是兩部分，一部分是25度時(shí)的輸入失調(diào)電壓，另一部分是溫度變化引起的失調(diào)電壓漂移。具體步聚如下圖。從結(jié)果來(lái)看似1uV/溫漂，在乘上溫度變化時(shí)，就成為了誤差的主導(dǎo)。因此，如果設(shè)計(jì)的電路在寬的溫度范圍下應(yīng)用，需在特別關(guān)注溫漂。 Vos(85)= 25uV+60uV=85uV.如果放大電路的Gain改為100,則最大輸出失調(diào)電壓就為8.5mV。這是最差的情況。      

18、0; 關(guān)于輸入失調(diào)電壓的測(cè)試在"運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析-part2，如何測(cè)量輸入偏置電流Ib，失調(diào)電流Ios"中有介紹，感興趣的話，可以去看看。還有簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，如下圖：Vos = Vout/1001        需要提醒的是，使用簡(jiǎn)易方法測(cè)試單電源運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓時(shí)，需要將輸入端短路并提供一個(gè)低噪聲的穩(wěn)定電壓偏置。如下圖。        TI的運(yùn)放水平在全球一直處于領(lǐng)選地位，下面列一些TI的低溫漂運(yùn)放，它們的最大漂移只有0.05uV/。輸入失調(diào)電壓Vio最大值只有5uV。運(yùn)放

19、參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析4運(yùn)放噪聲快速計(jì)算本文不是研究運(yùn)放的噪聲理論，TI的資深應(yīng)用經(jīng)理Art Kay已經(jīng)寫過(guò)一系列的文章來(lái)分析運(yùn)放的噪聲，相信大多數(shù)模擬電路工程師都讀過(guò)。這一系列文章已經(jīng)發(fā)表在網(wǎng)站上。國(guó)內(nèi)還有工程師把它翻譯成中文。名稱為“運(yùn)算放大器電路固有噪聲的分析與測(cè)量(TI合集).pdf”。感興趣的話可以下載下來(lái)讀一下。 今天主要從自上而下的角度分析一下運(yùn)放電路的噪聲組成，計(jì)算時(shí)幾個(gè)主意要點(diǎn)和繁索的地方、最主要的是提供給大家一個(gè)方便的計(jì)算小工具，很好用，讓噪聲計(jì)算變的簡(jiǎn)單。運(yùn)放構(gòu)成的反向放大電路中，噪聲主要來(lái)源于三個(gè)方面（1）    

20、0; 運(yùn)放的輸入噪聲電壓en(在datasheet中有數(shù)據(jù)和曲線)（2）      運(yùn)放的輸入電流噪聲in（在datasheet中同樣可以找到數(shù)據(jù)和曲線）。這需要流過(guò)電阻后轉(zhuǎn)化為電壓噪聲。（3）      設(shè)置放大倍數(shù)的電阻R1和Rf的熱噪聲，也就是可以通過(guò)經(jīng)典公式算出來(lái)的。Noise =(4kTKRf)。這是不可避免的。很多情況下會(huì)成為主要噪聲來(lái)源。 運(yùn)放噪聲的計(jì)算就是將這三個(gè)值一一求出來(lái)，由于這些噪聲是不相關(guān)的。它們的矢量和即為運(yùn)放的總輸入噪聲。再乘上噪聲增益就可以得到輸出端噪聲，

21、公式如下?？此坪?jiǎn)單實(shí)則很麻煩。我們將計(jì)算得來(lái)和輸入總噪聲加到理想運(yùn)放的正輸入端，就得到了運(yùn)放的噪聲模型。注意，是正輸入端哦，因此不管同向放大電路，還是反向放大電路對(duì)噪聲的增益均為G=1+Rf/R1。我們可以簡(jiǎn)單理解為噪聲是疊加到運(yùn)放輸入端的一個(gè)信號(hào)。如下圖上面說(shuō)了一個(gè)重要問(wèn)題，運(yùn)放的噪聲增益。還要一個(gè)重要問(wèn)題，運(yùn)放的噪聲帶寬，datasheet中給出的運(yùn)放噪聲參數(shù)一般為譜密度值如1.1nVHz。也就是說(shuō)，需要對(duì)它在噪聲帶寬中進(jìn)行積分才可以得到噪聲的RMS電壓值。噪聲帶寬不同于信號(hào)的-3dB帶寬。確切的說(shuō)是Brickwall 濾波器的帶寬。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是把實(shí)際的濾波器響應(yīng)曲線，在保證包含面積不變時(shí)

22、轉(zhuǎn)化成理像低通濾波器時(shí)的帶寬。好在我們可以查表得到，N階濾波器的-3dB帶寬與Brickwall 濾波器的帶寬換算系數(shù)。如下表Number of Poles  in FilterKnAC Noise Bandwidth Ratio11.5721.2231.1641.1351.12看上去好麻煩，不要急，還有更麻煩的事，就是運(yùn)放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，是與頻率有關(guān)的，在極低頻率時(shí)(0.1Hz-10Hz)主要是1/f噪聲，以后主要是白噪聲，如下圖，需要對(duì)其分段積分。在Art Kay的Op-Amp Noise Calculation and Measurement.ppt(可以goog

23、le到，TI官網(wǎng)上也有)。有一個(gè)計(jì)算實(shí)例，感興趣的可以找個(gè)運(yùn)參照計(jì)算一下。賣了半天關(guān)子，下面隆重推薦由Bruce, Trump剛剛設(shè)計(jì)完成的一個(gè)運(yùn)放電路噪聲計(jì)算器。就是一個(gè)excel表，可以在下面的頁(yè)面中下到。如下圖是噪聲電壓的計(jì)算，只要輸入1/f噪聲在特定頻率的值，和平坦噪聲的值，就可以計(jì)算出不同頻率下的噪聲密度。輸入頻帶的起止頻率，就可以分析出這下頻帶內(nèi)各個(gè)噪聲的貢需率。下圖是計(jì)算同向放大電路的噪聲密度的方法（以O(shè)PA627為例），只需輸入信號(hào)源電阻，運(yùn)放電壓噪聲，運(yùn)放電流噪聲，電阻值和溫度，就可以計(jì)算出來(lái)輸出電路的噪聲密度，這大大提高了計(jì)算效率。計(jì)算結(jié)果同樣給出了各個(gè)噪聲源的貢需率，方便

24、我們進(jìn)行噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析5電源抑制比DC-PSRR這一小節(jié)談?wù)勥\(yùn)放的電源抑制比。在理想運(yùn)放中，運(yùn)放的特性不會(huì)隨電源電壓的變化而變化。當(dāng)然，分析理想運(yùn)放時(shí)，我們使用的電源，也會(huì)被假設(shè)成理想電源。但實(shí)際情況并非如此，實(shí)際的運(yùn)放，電源電壓發(fā)生變化時(shí)，總會(huì)引起運(yùn)放參數(shù)的變化。這就引出運(yùn)放的一個(gè)重要參數(shù)，運(yùn)放的電源抑制比PSRR。維基百科中給出了PSRR的詳細(xì)定義，就是當(dāng)運(yùn)放的電源電壓發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓的變化，（又是失調(diào)電壓），這兩個(gè)變化的比就是運(yùn)放的PSRR。如下式        通常用dB表示。PSRR = 20log(

25、Vcc/Vios)。有些數(shù)據(jù)手冊(cè)中，也會(huì)通過(guò)失調(diào)電壓對(duì)電源變化的比來(lái)表示。單位一般用uV/V。如下圖，是OPA365的datasheet中的表示，這個(gè)也不難理解。我們不用為找不到上式定義的比率dB值，而感動(dòng)傷心。這兩種表示方法，都可以讓我們清楚的理解到運(yùn)放對(duì)電源電壓變化的抑制能力。        PSSR為有限值的原因，也是來(lái)源于運(yùn)放差分輸入管的不完全匹配。下面著重討論它的影響。如下圖是對(duì)OPA376運(yùn)放的一個(gè)計(jì)算實(shí)例。當(dāng)電源電壓變化500mV時(shí)，就會(huì)引起輸入失調(diào)電壓10uV的變化，如果放大倍數(shù)為2，剛輸出端變會(huì)產(chǎn)生20uV的變化。一些電路放大的倍數(shù)更大

26、，則輸出失調(diào)電壓變更大。這足以使一個(gè)輸送給16bitsADC的信號(hào)產(chǎn)生誤差。（16位ADC的一個(gè)LSB對(duì)應(yīng)的變化為15ppm of FSR）。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析-part6，電源抑制比AC-PSRR上面一節(jié)討論的是直流DC電源抑制比。實(shí)際的應(yīng)用電路中，運(yùn)放的電源電壓可能是不變的。        下面就來(lái)分析另一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，運(yùn)放交流電源抑制比AC-PSRR。這個(gè)參數(shù)相對(duì)在實(shí)際的應(yīng)用電路中顯得更有價(jià)值，卻時(shí)常被我們忽略。運(yùn)放的datasheet參數(shù)表格中往往給出的是直流PSRR。而AC-PSRR往往以圖表的形式給出，我們常常忽略了圖表中的信息。然而，

27、被我們忽略的常常是關(guān)鍵。下圖是OPA376的datasheet中的PSRR圖表，從圖表中我們可以看出兩點(diǎn)信息：（1）PSRR是隨電源交流頻率的上升而下降的，（2）正負(fù)電源的AC-PSRR不同。       以上兩點(diǎn)會(huì)在應(yīng)用電路中引起令人不快的問(wèn)題，下圖是說(shuō)明了一個(gè)在電源上出現(xiàn)的峰峰值為100mV，頻率為20kHz的紋波，會(huì)使放大電路的輸出端增加一個(gè)20uV，20kHz的噪聲信號(hào)。       通常，運(yùn)放的應(yīng)用電路中使用線性電源對(duì)運(yùn)放供電，對(duì)運(yùn)放的電源進(jìn)行濾波。但在一些手持式設(shè)備為了提高效率，降低功耗，不得不使用開(kāi)關(guān)

28、電源對(duì)運(yùn)放供電，開(kāi)關(guān)電源的頻率往往超過(guò)100kHz，甚至到MHz的水平。在這個(gè)頻率點(diǎn)上，運(yùn)放的PSR能力下降的非常快。如OPA376在100kHz時(shí)，PSRR只有50dB了。與高于100dB的DC-PSRR相去甚遠(yuǎn)。另一個(gè)問(wèn)題在單電源的手批設(shè)備中，開(kāi)關(guān)電容的“buck-boost”常被用來(lái)將正電源轉(zhuǎn)化為負(fù)電源?？吹缴蠄D中運(yùn)放對(duì)負(fù)向電源的AC-PSRR后，會(huì)讓我們出點(diǎn)冷汗了。        運(yùn)放的PSRR就要是指電源電壓變化引起輸入失調(diào)電壓的變化。因此可以參照測(cè)量失調(diào)電壓的方法測(cè)量PSRR。把電源電壓變化一個(gè)Vcc，然后測(cè)量計(jì)算Vios，就可以計(jì)算出PSR

29、R。        上面提到運(yùn)放使用開(kāi)關(guān)電源供電時(shí)，由于PSRR隨頻率的上升而下降。使得運(yùn)放在輸出端有很大的紋波噪聲。下面提供一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法，只適合于低功耗的運(yùn)放。在DC-DC輸出的電源與運(yùn)放的電原之間加一個(gè)小電阻（如下圖），如果運(yùn)放的功耗小于5mA。則這個(gè)10歐電阻產(chǎn)生的壓降小于50mV。        下面看一下這個(gè)電路的效果如下圖，在100kHz時(shí)頻響為-36dB這相當(dāng)于給運(yùn)放增加了36dB的PSRR。這個(gè)功耗損失換取這個(gè)效果還是很值得的。        另一個(gè)有效的方

30、法是，使串心電容給電源濾波，串心電容是一種三端電容，但與普通的三端電容相比，由于它直接安裝在金屬面板上，因此它的接地電感更小，幾乎沒(méi)有引線電感的影響，另外，它的輸入輸出端被金屬板隔離，消除了高頻耦合，這兩個(gè)特點(diǎn)決定了穿心電容具有接近理想電容的濾波效果。關(guān)于串心電容，感興趣的可以查閱相關(guān)資料。我們也會(huì)在論壇中分享TI工程師應(yīng)用三端電容給開(kāi)關(guān)電源濾波的文章。816210_201306262158161fpCP816210_201306262158161fpCP816210_201306262158161fpCP816210_201306262158161fpCP運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析7共模抑制比

31、CMRR運(yùn)放的共模擬制比，是常被大家關(guān)注的一個(gè)運(yùn)放參數(shù)，尤其是在差分放大器和儀表放大器中。但這一小節(jié)只討論運(yùn)放的共模抑制比，以及CMRR帶來(lái)給運(yùn)放的誤差。關(guān)于差分放大器和儀表放大器，以后另文討論。      在開(kāi)始討論運(yùn)放的共模抑制比，我們先了解一下運(yùn)放的共模輸入電壓，運(yùn)放的共模輸入電壓是指運(yùn)放的兩個(gè)輸入引腳電壓的平均值，注意是“平均值”，這一點(diǎn)很重要，如下圖所示。對(duì)于雙極性輸入級(jí)的運(yùn)放，運(yùn)放的共模輸入電壓，一般達(dá)不到電源軌。而有些rail to rail輸入運(yùn)放的共模電壓是可以達(dá)到電源軌的。      

32、  在理想運(yùn)放中，運(yùn)放的差模放大倍數(shù)為無(wú)窮大，共模放大倍數(shù)為0。理想總是美好的，現(xiàn)實(shí)總是殘酷的。因此實(shí)際運(yùn)放確不是這樣的，實(shí)際運(yùn)放的差模放大倍數(shù)也不會(huì)是無(wú)窮大，共模放大倍數(shù)也不會(huì)是零。我們就這樣定義運(yùn)放的共模抑制比（CMRR），差模增益與共模增益的比，如下式還有一個(gè)參數(shù)非常常見(jiàn)，就是CMR，它其實(shí)是CMRR的對(duì)數(shù)表示，如下式： 不過(guò)這兩個(gè)參數(shù)經(jīng)常被混用。我們只要了解他們都是在表示，運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)的抑制能力就可以了。運(yùn)放只所以會(huì)對(duì)共模信號(hào)能夠進(jìn)行放大，當(dāng)然這是我們不期望的，但也是不可避免的。主要來(lái)源于下面幾個(gè)原因：（1）    

33、0; 運(yùn)放差入輸入級(jí)的不匹配。這又可分為以下的原因引起的不匹配：1)      源極或漏極電阻的不匹配，2)      信號(hào)源電阻3)      柵極-漏極之間的結(jié)電容4)      正向跨導(dǎo)的不匹配5)      柵極漏電流（2）      拖尾電流源的輸出阻抗（3）  

34、60;   拖尾電流源的寄生電容會(huì)隨頻率的變化而變化下面我們就挑幾個(gè)上面的原因看一下它們的影響：(1) 電阻的不匹配，如下圖所示，由于電阻的不匹配，一個(gè)共模電壓的變化Vin，會(huì)在X，Y點(diǎn)轉(zhuǎn)化為一個(gè)差模電壓。計(jì)算如下，這個(gè)由失配阻Rd引入的差模信號(hào)，就會(huì)轉(zhuǎn)化為差分級(jí)輸出信號(hào)的噪聲。(2) 輸入晶體管的不匹配，管子的不匹配，會(huì)引起兩管子的電流的微小差別，并且兩個(gè)的跨導(dǎo)是不一樣的。         由于輸入級(jí)管子的不匹配，會(huì)將共模信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)差模的誤差，可以用下面的公式表示，它表示失配跨導(dǎo)引起的CMRR。  

35、  (3) 再介紹一個(gè)原因，就是拖尾恒流源的寄生電容會(huì)隨頻率變化而變化。這會(huì)引起這個(gè)恒流源電流的變化，差分輸入端射極或源極電阻用恒流源代替的目的是保持電流恒定和高阻抗。但它的電流如果隨頻率發(fā)生變化，勢(shì)必降低差分輸入端的共模抑制能力。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析8共模抑制比CMRR的影響上一小節(jié)簡(jiǎn)單介紹了，共模抑制比的定義，以及引起它的原因。下面就介紹一下，它的影響。本系列貼子的目的是說(shuō)清楚運(yùn)放參數(shù)的定義，分析引起這個(gè)問(wèn)題的原因，介紹明白這個(gè)參數(shù)對(duì)電路的影響，最后盡力介紹一些經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)盡可能的減少和避免這些影響。        簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，C

36、MRR是運(yùn)放的一個(gè)直流精度參數(shù)，它的好壞，會(huì)引起運(yùn)放的放大電路的輸出誤差的好壞。下表是OPA177的datasheet中標(biāo)出的共模抑制比CMRR，注意表中標(biāo)定的值是指，在輸入共模電壓范圍內(nèi)的直流共模抑制比。它的最小值為130dB，是非常高的值。       由于CMRR是有限值，當(dāng)運(yùn)放輸入端有共模電壓Vcm時(shí)，它會(huì)引入一個(gè)輸入失調(diào)電壓，我們稱之為Vos_CMRR。如下圖所示        當(dāng)共模電壓為5V時(shí)，這個(gè)失調(diào)電壓為1.58uV。計(jì)算過(guò)程如下，直流共模抑制比轉(zhuǎn)化為比率為：    

37、     對(duì)于上圖中的G=2的電路，則輸出端誤差為3.16uV。對(duì)于基準(zhǔn)源為2.5V，雙極性輸入的24位ADC來(lái)說(shuō)，為相當(dāng)于引起了11個(gè)LSB的直流誤差了，直接影響到最后四位的精度了。       下面介紹另一個(gè)不好的影響，運(yùn)放的CMRR是隨頻率的增加而降低。Datasheet中通常會(huì)給出一個(gè)曲線圖來(lái)表示這一變化。如下圖，這一點(diǎn)是一個(gè)非常令人不爽的特性。        我們可以計(jì)算一下這一特性的影響，如下圖所示，當(dāng)共模信號(hào)為一個(gè)20Vpp1KHz的正弦信號(hào)時(shí)，它引入的輸入失電壓將是Vos_CMR

38、R_AC=200uV1kHz。對(duì)于Gain=2的放大電路，它的輸入誤差信號(hào)將為 400uV1kHz。         有一點(diǎn)需要引起注意，對(duì)于反向比例放大電路，如下圖，它的同向端是接入到地的，由于“虛短”。此放運(yùn)放的共模信號(hào)將為0，并且不隨信號(hào)的變化而改變。因此共模信號(hào)引起的誤差很小。        而對(duì)于同向比例放大電路，如下圖，它的同向端是接是接的信號(hào)，由于“虛短”。此放運(yùn)放的共模電壓就是信號(hào)的電壓。如果信號(hào)本身是一個(gè)頻率很高的信號(hào)，幅值也很大。那么由這個(gè)信號(hào)引 入的Vos_CMRR_AC執(zhí)

39、必會(huì)非常大。此時(shí)應(yīng)選用在信號(hào)頻率上 CMRR依然很高的運(yùn)放。經(jīng)過(guò)上面的分析，即使這樣，Vos_CMRR_AC的影響可能也會(huì)是非常嚴(yán)重的。        最后簡(jiǎn)單介紹一下運(yùn)放的CMRR測(cè)試，通常人們會(huì)想到有下圖的方法來(lái)測(cè)試CMRR，這種方法看似簡(jiǎn)單，但存在一個(gè)很大的問(wèn)題，就是它需要的電阻匹配度非常高，為發(fā)測(cè)CMRR>100dB的運(yùn)放，需要1ppm以下的電阻。這幾乎不實(shí)用。      簡(jiǎn)單易行的方式是下圖的方式。它對(duì)電阻的匹配度要求要低的多。       設(shè)信號(hào)源輸出電壓為

40、VS，測(cè)得輔助運(yùn)放輸出電壓為VL0，則有  運(yùn)算參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析9放大電路直流誤差（DC error）在本系列主題的part1-part8中詳細(xì)分析了運(yùn)放的主要直流參數(shù)。我們分析它們的原因就是，它們會(huì)給我們的電路引入直流誤差。本貼的主要目的是把影響運(yùn)放直流誤差的原因都找出來(lái)，并且說(shuō)明了它是怎樣影響的。以便工程師在設(shè)計(jì)精密放大電路時(shí)多加注意。        這一貼主要解釋一個(gè)圖和一個(gè)公式。這個(gè)圖和公式來(lái)源于TI的一篇應(yīng)用手冊(cè)。      

41、60; 首先讓我們看一下，同放放大電路的理論模型，如下圖        這個(gè)電路在運(yùn)放的應(yīng)用電路中，再長(zhǎng)見(jiàn)不過(guò)了。它的輸出為eo. 等于閉環(huán)增益（1/）乘以輸入信號(hào)，這里的。輸入信號(hào)我們要多加注意了，它是由電路的輸入信號(hào)ei減于運(yùn)放引入的誤差eid構(gòu)成的。式中是反饋系數(shù)，對(duì)于像下圖這樣的典型同向放大電路，它的值就是R1/(R1+R2)。這在模電課本中都有詳細(xì)敘述，不過(guò)多啰嗦。本文更要關(guān)注的是eid。          對(duì)于eid，我們的

42、第一反應(yīng)可能會(huì)是輸入失調(diào)電壓offset，再進(jìn)一步的反應(yīng)是輸入偏置電流流過(guò)電阻網(wǎng)引起的誤差電壓。可事實(shí)，遠(yuǎn)不只這兩個(gè)因素，它倆還有七大姑八大姨的都來(lái)湊熱鬧。那我們就展示出它的真面目：            上式等號(hào)右邊的項(xiàng)夠多吧。真沒(méi)讓我們失望，這么多參數(shù)，參于到制造直流誤差的行列中。當(dāng)然這些參數(shù)，也就是在part1-part8中提到的參數(shù)。運(yùn)算參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析10 放大電路直流誤差（DC error）的影響因素讓我們?cè)賮?lái)認(rèn)真看一下上一小節(jié)中提到的公式：下面我們一項(xiàng)一項(xiàng)的來(lái)看看他們吧。（1）

43、    Vos, 輸入失調(diào)電壓，大家都熟，不多廢話。它更壞的一點(diǎn)是它不是一個(gè)老實(shí)待著的值，它會(huì)隨著溫度變化漂移呢。（2）    Ib+, 同向端輸入偏置電流，它流過(guò)同向端等效阻抗，形成一個(gè)誤差電壓。（3）    Ib-,  反向端輸入偏置電流，它流過(guò)反向端等效阻抗，形成一個(gè)誤差電壓。有人可能注意了，輸入端阻抗怎么計(jì)算呢。下面的圖一看就明白了。簡(jiǎn)而言之吧，輸入電阻（信號(hào)源電阻加輸入端電阻）與反饋電阻的并聯(lián)。千萬(wàn)別忘了信號(hào)源電阻哦，因?yàn)槲覀儠r(shí)常選用高阻抗的傳感器做信號(hào)源。（4）  

44、;  en, 等效輸入噪聲。這個(gè)值，我的理解可不只是datasheet中給定的en如1.1nVHz。它是集成了電壓噪聲，電流噪聲和電阻噪聲三都的貢獻(xiàn)的。是所有噪聲等效到輸入端的值。具體請(qǐng)參照Art Kay的文章和本系列博文的part4。（5）    eo/A, 這個(gè)表達(dá)式，可能很多人從來(lái)沒(méi)有關(guān)注過(guò)，有這一項(xiàng)的原因是，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益A不為0。這也就是因?yàn)檩斎胭N值的不同，而引起的等效輸入誤差的不同了，舉個(gè)例子吧，如果輸出值是5V。開(kāi)環(huán)增益是100dB，不低了吧。它的折算到輸入端的誤差就有50uV啊。不是小數(shù)目了。（6）    e

45、icm/CMRR, 這個(gè)不用多說(shuō)，輸入端的同模電壓除以共模抑制比。又有一點(diǎn)不好的地方，運(yùn)放的CMRR可是隨共模信號(hào)頻率的增加而下降的。好多運(yùn)放的CMRR在共模信號(hào)到10KHz以上時(shí)，就比直流下降了幾十個(gè)dB呢（7）    Vs/PSRR，電源電壓的變引入的誤差。同樣的，交流PSRR在隨頻率的增高，而下降。 看了這些，可能還會(huì)以為，這點(diǎn)小誤差是毛毛雨了，至多到mV級(jí)，甚至在uV級(jí)，不要忘了，它還要乘上一個(gè)增益Gain呢。假如輸入誤差是100uV。增益為100倍，則輸出的誤差信號(hào)，就是10mV。 Input_error x Gain

46、60;= Output Error如果還覺(jué)得沒(méi)什么，那再講一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值吧，一個(gè)滿量程為5V的16位ADC的一個(gè)LSB約為75uV。只要75uV的誤差就會(huì)引起ADC的一位的變化。假如放大電路的輸出誤差信號(hào)是1mV的話，這個(gè)信號(hào)給ADC，直接引起的誤差就是13個(gè)LSB以上。這個(gè)Output error，真是魚龍混雜。有直流成份，這個(gè)可通過(guò)ADC采樣后校正去除掉。有噪聲信號(hào)，還有交流的成份。最不期望的，它還會(huì)隨溫度漂移呢。我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路中，可以通過(guò)上面的分析，找出引起直流誤差的主要因素，然后努力減小之。運(yùn)算參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析11輸入阻抗和輸入電容下圖形象的說(shuō)明了運(yùn)放的輸入端阻抗的特性。主要

47、有兩個(gè)參數(shù)，輸入阻抗和輸入電容。對(duì)于電壓反饋型運(yùn)入，輸入阻抗主要由輸入級(jí)的決定，一般BJT輸入級(jí)的運(yùn)放。的共模輸入阻抗會(huì)大于40M。差模輸入阻抗大于200G。對(duì)于JFET和CMOS輸入級(jí)的運(yùn)放，輸入阻抗要大的多。這個(gè)阻抗通常表現(xiàn)為電阻性。作為常識(shí)被我們所熟知。         更值得我們多加關(guān)注的是運(yùn)放的輸入電容。這個(gè)參數(shù)通常在datasheet的表格中所列出，但常被忽視。運(yùn)放的輸入電容，通常分為共模輸入電容Ccm和差模輸入電容Cdiff。如下面是OPA376的datasheet中列出的輸入電容。     

48、60;   對(duì)于有EMI抑制特性的運(yùn)放，如LMV832，它的輸入電容會(huì)被設(shè)計(jì)的正大的些。下面是帶EMI抑制功能的LMV832的輸入電容值。運(yùn)放的輸入共模電容Ccm 和差模電容 Cdiff會(huì)形成運(yùn)放的輸入電容 Cin。在許多應(yīng)用中，運(yùn)算放大器的輸入電容都不會(huì)造成問(wèn)題。但在某些應(yīng)用中會(huì)引起放大電路的不穩(wěn)定。尤其是反向輸入端的電容，是放大電路不穩(wěn)定的幾大罪魁禍?zhǔn)字弧Ｈ缦聢D所示是運(yùn)放在有輸入電容的影響下的模型。        這個(gè)反向輸入端的電容會(huì)在運(yùn)放的環(huán)路增益中引入一個(gè)極點(diǎn)。正是這個(gè)極點(diǎn)的存在，在某些條件下，可能會(huì)引起放大電路的不穩(wěn)定。 

49、;        運(yùn)放輸入電容引入的極點(diǎn)如下式。即使這個(gè)極點(diǎn)0-dB交截越頻率之內(nèi)，而是非?？拷?-dB交越頻率，它也有可能引起問(wèn)題。在這個(gè)極點(diǎn)的頻率點(diǎn)上，相位會(huì)有45度的相位延遲，它很可能減少放大電路的相位裕度。如放大電路的0-dB交截越頻率是2MHz。在2MHz處的相位裕度是89°。 如果這個(gè)極點(diǎn)的頻率點(diǎn)也在2MHz處，它將使相位裕度減少45°。而變?yōu)?= 89° 45° = 44°。 44度的相位裕度就顯得的不夠了。        通常放大電路的輸入電容不只由

50、運(yùn)放的輸入電容組成，還包括布線引起的雜散電容和引腳電容。應(yīng)盡量避免運(yùn)算放大器反相輸入端存在外部雜散電容，尤其是在高速應(yīng)用中。反相輸入周圍區(qū)域應(yīng)去除接地層，從而最大程度地減小PC板雜散電容，此外，該引腳的所有連接都應(yīng)盡量短。        在一些應(yīng)用，常會(huì)加入反饋電容來(lái)增加放大電路的穩(wěn)定，加入反饋電容后的電路的環(huán)路增益為，可見(jiàn)反饋補(bǔ)償電容給環(huán)路增益中引入了一個(gè)零點(diǎn)。        關(guān)于運(yùn)放電路穩(wěn)定性，可以參閱Tim Green的系列文章。Operational Amplifier Stability。運(yùn)算參數(shù)的詳細(xì)解

51、釋和分析12輸入電容Cin的測(cè)量通常情況下我們可以在運(yùn)放的datasheet中得到運(yùn)放的輸入電容Ccm和Cdif。這些值通常是典型值。有某些情況下，可能需要實(shí)測(cè)一下運(yùn)放的輸入電容，下面提供一種實(shí)用的測(cè)試方法。下圖是測(cè)試的原理圖，基本測(cè)試原理是把運(yùn)放接成跟隨器，然后在同向輸入端串聯(lián)一個(gè)電阻（阻值一般在100K-1M之間），這個(gè)電阻與運(yùn)放的輸入電容會(huì)形成一個(gè)RC電路，我們測(cè)試出這個(gè)電路的-3dB頻點(diǎn)，已知串聯(lián)電阻。就可以計(jì)算出運(yùn)放的輸入電容。這里需要注意的是，電阻也是有等效并聯(lián)電容的。如一個(gè)典型的1/4W電容的等效并聯(lián)電容約為0.3pF。我們可以通過(guò)串聯(lián)電阻的方法來(lái)減小電阻的等效并聯(lián)電容。下面的圖

52、片是實(shí)際測(cè)試的Setup。使用到的儀器有網(wǎng)絡(luò)分析儀，高阻抗FET探頭。和功耗分離器。為什么不用示波器呢？這是有原因的。由于運(yùn)放的輸入電容通常是小于10pF的。示波器的探筆的電容通常是在10pF左右。如果用示波器探筆去測(cè)量運(yùn)放的輸入電容根本就無(wú)法測(cè)準(zhǔn)。因此需要選用電容小于1pF的，高阻抗FET探頭如Tektronix® P6245。下面簡(jiǎn)要介紹一下測(cè)試方法：（1）首先要測(cè)試未安裝運(yùn)放時(shí)PCB的雜散電容，網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果讀出-3d頻點(diǎn)f1。并計(jì)算出雜散電容：（2）在電路中安裝上運(yùn)放，然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試出-3dB頻點(diǎn)f2。并計(jì)算出運(yùn)放輸入電容與雜散電容的和：（3）如果我們選取的串聯(lián)電

53、阻遠(yuǎn)小于運(yùn)放的共模電阻，則可以看作Rth1=Rth2。則此時(shí)上式可以寫為：這樣，求差，就可以計(jì)算出運(yùn)放的輸入電容了運(yùn)算參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析13軌至軌輸入（rail to rail input） 隨著單電源運(yùn)放的廣泛的運(yùn)用，運(yùn)放的軌至軌輸入（rail to rail input）成為一個(gè)時(shí)髦的詞。現(xiàn)在大部分低電壓?jiǎn)坞娫垂╇姷倪\(yùn)放都是軌至軌輸入的。TI在軌至軌輸入的運(yùn)放產(chǎn)品方面具有十分領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。本文介紹運(yùn)放的rail to rail輸入的實(shí)現(xiàn)以及TI在實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的rail to rail 輸入方面的領(lǐng)先技術(shù)。        先說(shuō)兩句廢話，解釋一下軌

54、至軌，這里的軌指的是電源軌，運(yùn)放的兩個(gè)電源供電電壓如+/-15V。這兩個(gè)電源電壓就像兩條平行的距離為30V的“軌道”一樣限制了運(yùn)放的輸入輸出信號(hào)。運(yùn)放的軌至軌輸入是指運(yùn)放的輸入端信號(hào)電壓能夠達(dá)到電源的兩個(gè)軌，并保持不失真，如上例輸入信號(hào)電壓可達(dá)到+/-15V。運(yùn)放的輸入電壓范圍可在運(yùn)放的datasheet中找到。就是共模電壓范圍Vcm（Common-Mode Voltage Range）。如下表即為OPA365的輸入電壓范圍，可見(jiàn)它是典型的軌至軌輸入運(yùn)放。        一般的BJT和JFET是非軌至軌輸入的運(yùn)放。如下表所示為OPA827共模輸入電壓范圍

55、為(V-)+3V至(V+)-3V，典型的非軌至軌運(yùn)放。        單電源（我們暫且稱之為“單電源”）運(yùn)放的輸入級(jí)通常有三種結(jié)構(gòu)，第一種是采用PMOS做差分輸入級(jí)。這樣的運(yùn)入輸入級(jí)電壓可以低于負(fù)電源軌0.2甚至0.3V，但達(dá)不到正電源軌，如OPA336。下表是datasheet中標(biāo)出的OPA336輸入電壓范圍。          它的輸入級(jí)原理框圖如下圖，典型的PMOS差分輸入級(jí)。          既然PMOS差分輸入級(jí)輸入電壓不能達(dá)到正電源軌，那NM

56、OS呢，對(duì)頭，NMOS差分輸入級(jí)的輸入電壓可以達(dá)到正電源軌，但是達(dá)不到負(fù)電源軌，一般會(huì)在負(fù)電源軌的1.2V之上。         此時(shí)有人想到了，把PMOS和NMOS差分輸入級(jí)并聯(lián)起來(lái)。在接近電源負(fù)電壓軌時(shí)使PMOS差分輸入級(jí)工作，在接近電源正電源軌時(shí)使NMOS差分輸入級(jí)工作。這樣不就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的軌至軌輸入了嘛。太巧妙了。的確早先的軌至軌輸入運(yùn)放就是這樣設(shè)計(jì)的。并且現(xiàn)在也在大量使用這種技術(shù)。如下圖是OPA703的輸入級(jí)，就是典型的PMOS與NMOS相并聯(lián)的運(yùn)放輸入級(jí)。當(dāng)輸入共模電壓在(Vss-)-0.3V<Vcm<(Vss+)-2

57、V時(shí)PMOS處于工作狀態(tài)，NMOS處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)輸入共模電壓在(Vss-)-2V<Vcm<(Vss+)+0.3V時(shí)NMOS處于工作狀態(tài)，PMOS處于關(guān)閉狀態(tài)。         下表是OPA703的datasheet中給出的共模電壓輸入范圍(V-)-0.3V至(V+)+0.3V.           Bipolar輸入級(jí)運(yùn)入同樣也有這樣的結(jié)構(gòu)，如下圖是典型PNP與NPN型三級(jí)管并聯(lián)形成的差分輸入級(jí)。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析14軌至軌輸入_TI的領(lǐng)先技術(shù)Part13中講到了常

58、用的軌至軌運(yùn)放是采用NMOS與PMOS差分輸入級(jí)相并聯(lián)的方法。這一方法巧妙的解決了輸入信號(hào)達(dá)不到兩個(gè)電源軌的問(wèn)題。在當(dāng)今軌至軌輸入的運(yùn)放中得到廣泛的應(yīng)用。       但是這種并聯(lián)差分輸入級(jí)的運(yùn)放有一個(gè)先天的問(wèn)題就是輸入失調(diào)電壓交越問(wèn)題。如下圖所示，為并聯(lián)差分輸入結(jié)構(gòu)的運(yùn)放的輸入前級(jí)。         下圖是這種運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓可以看出。隨著共模電壓的升高PMOS在2V（用于舉例的值）左右將關(guān)閉，而NMOS即將打開(kāi)，就在這個(gè)節(jié)骨眼上。運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓變生了跳變。這個(gè)可以理解，兩組不同結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)的輸入

59、失調(diào)電壓是不同的，在交接棒時(shí)，這個(gè)失調(diào)電壓也完成了交接棒。對(duì)于直流信號(hào)這個(gè)問(wèn)題會(huì)引起誤差突變，對(duì)于正弦交流信號(hào)，這個(gè)問(wèn)題會(huì)引起信號(hào)的失真。在交越點(diǎn)引入一個(gè)小小的臺(tái)階。        為了解決這個(gè)問(wèn)題，TI公司設(shè)計(jì)了兩種領(lǐng)先的差分輸入級(jí)。第一種結(jié)構(gòu)如下圖。PMOS差分輸入級(jí)能達(dá)到負(fù)電源軌，而達(dá)不到正電源軌，總是差這么1V左右夠不著。我們把輸入級(jí)的電源在內(nèi)部提高1.8V。水漲船高，這樣的輸入級(jí)就能達(dá)到運(yùn)放的正電源軌。由于只有一組差分輸入級(jí)，并不會(huì)存在輸入失調(diào)電壓交越的問(wèn)題。        這一技術(shù)在TI的單電源運(yùn)放OP

60、Al365上得到應(yīng)用。如下圖。         到這并沒(méi)有結(jié)束，另一種技術(shù)在TI的單電源軌至軌運(yùn)放中得到應(yīng)用。這就是自調(diào)零技術(shù)。下圖使用了自調(diào)零技術(shù)（MOSFET Zero Drift）前后。輸入失調(diào)電壓跳變就非常小了。        這一技術(shù)在TI的OPA333運(yùn)放中得到應(yīng)用，下表是OPA333的Vcm輸入電壓范圍。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析15開(kāi)環(huán)增益Aol理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益Aol是無(wú)窮大的。這是我們?cè)谀ｋ娬n本上學(xué)到的運(yùn)放的一條基本知識(shí)。但現(xiàn)實(shí)總是殘酷的，殘酷到所有的運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益都不是無(wú)窮大，它是一個(gè)

61、有限值。這個(gè)有限制會(huì)引起它的一個(gè)問(wèn)題。本文要討論的另一個(gè)問(wèn)題是增益帶寬積，其實(shí)更想多說(shuō)的一點(diǎn)是增益帶寬的那條曲線。       在不具負(fù)反饋情況下(開(kāi)環(huán)路狀況下)，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)稱為開(kāi)環(huán)增益，簡(jiǎn)稱AOL。這句話簡(jiǎn)單的定義了運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益。實(shí)際的運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益，有高有低，并且會(huì)隨溫度變化，這是我們不想看到的。       先說(shuō)說(shuō)開(kāi)環(huán)增益帶來(lái)的不良影響。開(kāi)環(huán)增益為有限值的壞處不只是說(shuō)明運(yùn)放都不是理想的。它會(huì)帶來(lái)一個(gè)常被人們忽略的問(wèn)題誤差。        下圖是OPAl369

62、的datasheet中給出的關(guān)于開(kāi)環(huán)增益的參數(shù)，首先映入眼簾（小學(xué)作文常用詞）的是開(kāi)環(huán)增最典型值為134dB，最小值為114dB。這說(shuō)明一點(diǎn)，同一型號(hào)的一大批運(yùn)放，它們各自的開(kāi)環(huán)增益是有一定分布的。第二項(xiàng)映入眼簾的是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益會(huì)隨溫度變化而變化。當(dāng)然是變壞了。在整個(gè)運(yùn)放的使用范圍里最小值可能達(dá)到90dB.下面我們計(jì)算一個(gè)Aol對(duì)放大電路的影響。如下圖是常見(jiàn)的同相比例放大電路。 如果考慮進(jìn)Aol,則它的電壓增益為當(dāng)假設(shè)Avol為無(wú)窮大時(shí)，則上述放大電路的增益化簡(jiǎn)為上面是模電課本中講到的內(nèi)容。但如果我們較真兒一下，計(jì)算一下 Avol的影響，當(dāng)Avol為典型值134dB時(shí)，上

63、面電路的增益為：誤差為：這個(gè)結(jié)果還不錯(cuò)差，相當(dāng)于20ppm的誤差。如果在寬溫度范圍下應(yīng)用，最壞情況呢，當(dāng)Avol在over temperature時(shí)為最小值90dB時(shí)，增益誤差為下面的計(jì)算結(jié)果。Oah, 麥噶敦。千分之三的誤差，對(duì)于16位ADC，這相當(dāng)于200 codes。真是不小的值啊。因此對(duì)于Aol我們可以得出這樣的結(jié)論，(1)    不能輕視它，它確實(shí)影響了運(yùn)放的直流誤差，在以前的part中提到過(guò)。(2)    它是隨溫度變化的，并且在最壞情況下，它帶的誤差可真不小。(3)    低開(kāi)環(huán)增益的運(yùn)放不

64、適合高精度的放大。         如bruce 的博客中寫到Aol和offset是表姐妹。把有限開(kāi)環(huán)增益看作是隨輸出電壓變化而變化的失調(diào)電壓，可為估計(jì)誤差提供一種直觀的方法。如果DC開(kāi)環(huán)增益為100dB，則其相當(dāng)于1/10(100dB/20) = 10uV/V。因此，輸出擺動(dòng)1伏，輸入電壓必須改變10uV?？砂阉醋魇请SDC輸出電壓變化的失調(diào)電壓。輸出擺動(dòng)9伏，其變化為90uV?；蛟S，這種變化對(duì)于你的電路來(lái)說(shuō)不足為道，也可能會(huì)有影響。運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋和分析16增益帶寬積（GBW）對(duì)于運(yùn)放的增益帶寬積，大家再熟悉不過(guò)了，這也是我在大學(xué)初學(xué)運(yùn)放

65、時(shí)，記憶深刻的唯數(shù)不多的幾個(gè)參數(shù)之一。還是想寫篇貼子對(duì)這個(gè)參數(shù)深刨根一下，（趙大叔小品“往祖墳上刨”）。對(duì)于單極點(diǎn)響應(yīng)，開(kāi)環(huán)增益以6 dB/倍頻程下降。這就是說(shuō)，如果我們將頻率增加一倍，增益會(huì)下降兩倍。相反，如果使頻率減半，則開(kāi)環(huán)增益會(huì)增加一倍，結(jié)果產(chǎn)生所謂的增益帶寬積。下表就是運(yùn)放OPA376的datasheet中給出的增益帶寬積典型值5.5MHz。比這個(gè)表格中的參數(shù)更有用的是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益曲線，如下圖是OPA376的datasheet中給出的開(kāi)環(huán)增益曲線.       在一些資料中也?？吹竭\(yùn)放的單位增益帶寬，它是指運(yùn)放增益為1時(shí)的-3dB帶寬（上圖把它標(biāo)出來(lái)了），它與運(yùn)放的增益帶寬積從數(shù)值上是相等的，雖然名稱不同。下面我們往深處刨一下圖中的曲線，先觀察增益曲線，它在1Hz左右有一個(gè)拐點(diǎn)，從這個(gè)拐點(diǎn)之后，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益開(kāi)始以-6dB/2倍頻程（或-20dB/十倍頻程）下降。正是由于這個(gè)拐點(diǎn)的存在，才使