運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)解讀

運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，大大降低了硬件模擬前端電路設(shè)計(jì)的難度。但是對(duì)于高精度的模擬信號(hào)處理電路中，用好運(yùn)放也不是一件容易的事，更不用說(shuō)壓著最低的物料成本設(shè)計(jì)出符合系統(tǒng)要求的運(yùn)放電路了。高端的電路往往蘊(yùn)含著簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)邏輯，用好運(yùn)算放大器我們還是得從運(yùn)放的基本原理開(kāi)始。當(dāng)然，本文也不會(huì)從最基礎(chǔ)的晶體管講起，默認(rèn)聰明的你已經(jīng)有一定的模電的基礎(chǔ)。

1、運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行運(yùn)放的參數(shù)比較之前，我們有必要對(duì)運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)有一定的了解。如圖1-1，是通用運(yùn)放LM2904 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：

輸入級(jí)兩組PNP串聯(lián)，提高運(yùn)放的輸入阻抗，減小運(yùn)放的偏置電流；

鏡像恒流源控制兩個(gè)下管NPN的集電極電流相等，這也是運(yùn)放調(diào)節(jié)功能的關(guān)鍵；

中間級(jí)為運(yùn)放的放大級(jí)，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益主要在這里獲得；

如果IN+=IN-，那么恒流源的兩個(gè)NPN電流相等，從中間級(jí)抽走的電流為零；

通過(guò)內(nèi)部電流源的配置，可以使OUT 和“虛擬地”等電位；

輸出級(jí)一般設(shè)計(jì)為推挽形式，提高運(yùn)放輸出的負(fù)載能力；

補(bǔ)償電容的作用是對(duì)運(yùn)放的輸出和輸入之間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，抑制在使用過(guò)程中可能發(fā)生的震蕩；

這里需要注意的是，由于LM2904成本比較低廉，在輸入級(jí)之后直接到達(dá)中間級(jí)。一般運(yùn)放（比如經(jīng)典的741運(yùn)放），會(huì)在輸入級(jí)和放大級(jí)之間增加一級(jí)差動(dòng)放大電路，進(jìn)一步提高電路的共模抑制比。

圖1-1 LM2904 內(nèi)部功能簡(jiǎn)圖

2、運(yùn)放的參數(shù)解讀

2.1 工作范圍

運(yùn)放的工作范圍主要定義了運(yùn)放對(duì)外的接口電路能夠承受的電壓范圍和芯片能夠工作的溫度范圍，屬于運(yùn)放本身的硬件特性和內(nèi)部晶體管的設(shè)計(jì)參數(shù)息息相關(guān)。我們?cè)谑褂眠\(yùn)放的時(shí)候要特別注意運(yùn)放是否始終都保持在允許的工作范圍，防止引起運(yùn)放的失效。

本文列舉了LM2904 數(shù)據(jù)手冊(cè)中常規(guī)的運(yùn)放工作范圍，如圖2-1，圖2-2：

圖 2-1 LM2904 運(yùn)放參數(shù)1

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圖 2-2 LM2904 運(yùn)放參數(shù)2

2.2 電氣參數(shù)

本文列舉了LM2904 數(shù)據(jù)手冊(cè)中常規(guī)的運(yùn)放參數(shù)進(jìn)行解釋?zhuān)鐖D2-3，圖2-4：

圖2-3 LM2904基本電氣參數(shù)1

圖2-4 LM2904基本電氣參數(shù)2

2.2.1 失調(diào)電壓（offset voltage）

理想的運(yùn)放如果將輸入的同相端VIN+和輸入的反相端VIN-短接，那么輸出應(yīng)該為零。實(shí)際上由于運(yùn)放在制造過(guò)程中晶體管的差異很難做到完全的對(duì)稱(chēng)，因此輸出不能為零，會(huì)在輸入端等效一個(gè)小小的電壓源疊加在正常的信號(hào)之上。這個(gè)電壓稱(chēng)為失調(diào)電壓VIO=-（Vo|Vi=0）/Avo，其中Avo是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益。

好在，這個(gè)電壓屬于固定偏置，我們可以通過(guò)“調(diào)零”的方式對(duì)它進(jìn)行消除。常用的調(diào)零方式主要有兩種：手動(dòng)調(diào)零和程控調(diào)零。手動(dòng)調(diào)零就是在外部引入一個(gè)疊加電壓去抵消運(yùn)放原有的失調(diào)電壓，如圖2-5；而程控調(diào)零就比較智能化了，在同相端和反相端設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉獲得輸出的失調(diào)電壓，ADC在采集的時(shí)候直接將這個(gè)直流偏置給減掉，以達(dá)到電壓“調(diào)零”的目的。

失調(diào)電壓會(huì)隨著溫度產(chǎn)生漂移，數(shù)據(jù)手冊(cè)中也會(huì)給出輸入失調(diào)電壓的溫漂參數(shù)dVOS/dT。也就是說(shuō)失調(diào)電壓也不是固定的，還會(huì)隨著溫度的變化而變化。關(guān)于這個(gè)參數(shù)這里引申一下，我們?cè)谶M(jìn)行小信號(hào)/微小信號(hào)的放大處理時(shí)，要特別注意輸入端PCB的焊接和環(huán)路的處理。電阻引腳和PCB以及他們之間的焊錫屬于不同的材料連接到一起，這里會(huì)在不同材料的連接處產(chǎn)生“熱電偶”效應(yīng)，這個(gè)小信號(hào)同樣會(huì)引入到運(yùn)放電路里面形成等效的“輸入失調(diào)電壓”。好在一般電阻都是兩個(gè)焊點(diǎn)，這兩個(gè)焊點(diǎn)之間的電壓能夠相互抵消，只要我們環(huán)路做得足夠小。

圖 2-5 反相端的失調(diào)電壓補(bǔ)償

2.2.2 共模電壓（VCM）和共模抑制比（CMRR）

雖然運(yùn)放屬于差動(dòng)放大電路，理論上共模電壓會(huì)相互抵消。但是，共模電壓會(huì)影響運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)，尤其是在工模電壓靠近電源軌（VCC+和VCC-）的時(shí)候運(yùn)放內(nèi)部的晶體管將由線(xiàn)性區(qū)進(jìn)入非線(xiàn)區(qū)，引起電路功能的失常。這就是為什么很多低壓應(yīng)用的運(yùn)放需要設(shè)計(jì)為“軌致軌”（Rail-to-Rail）的原因，也即是盡可能把線(xiàn)性工作區(qū)往電源軌的方向推。雖然很多運(yùn)放是號(hào)稱(chēng)“軌致軌”，但是我們?cè)趹?yīng)用的時(shí)候，還是不能忽略共模電壓這個(gè)重要的參數(shù)，盡量讓運(yùn)放工作在規(guī)定VCM的下方，留有一定的線(xiàn)性區(qū)余量。

共模抑制比（CMRR）屬于運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)抑制的一個(gè)能力，這個(gè)參數(shù)越大運(yùn)放防止共模干擾的能力越強(qiáng)。同時(shí)，工模抑制比隨著頻率的升高而下降，我們?cè)谧龈哳l模擬前端電路的時(shí)候要特別關(guān)注這個(gè)參數(shù)。

圖 2-6 CMRR 和頻率的關(guān)系

2.2.3 偏置電流（bais current）和失調(diào)電流（offset current）

運(yùn)放的偏置電流其實(shí)我更傾向于叫它輸入靜態(tài)電流，因?yàn)锽JT集成運(yùn)放的輸入端是差分對(duì)管的基極，運(yùn)放需要正常工作必須有一個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)，使得運(yùn)放的晶體管進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)。如圖2-7，偏置電流IIB=（（Ib+）+（Ib-））/2=5pA，這個(gè)電流會(huì)影響運(yùn)放的輸入阻抗特性；失調(diào)電流IOS=（（Ib+）-（Ib-））=4pA。我們知道一個(gè)優(yōu)秀的運(yùn)放，應(yīng)該輸入阻抗表現(xiàn)出無(wú)窮大；但是，信號(hào)源到運(yùn)放輸入端總是存在等效阻抗的，如果不進(jìn)行阻抗的補(bǔ)償，那么會(huì)引起輸出的漂移。

圖 2-7 偏置電流和失調(diào)電流的定義

如圖2-8，我們看一下這個(gè)隔離運(yùn)放的前端。這個(gè)電路用于電壓采樣，如果直接將VINP和VINN直接接到采樣電阻R3的兩端，那么即使HV電壓為零，偏置電流IIB也會(huì)在R3上產(chǎn)生一個(gè)電壓，這個(gè)電壓會(huì)引入到差分運(yùn)放的輸入。那么為了補(bǔ)償?shù)暨@個(gè)偏置電流的影響，我們就需要在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)置一個(gè)R3'=R3的補(bǔ)償電阻，這樣IIB'同樣會(huì)流過(guò)R3'，獲得相同的電壓從而使VINP=VINN。

圖 2-8 運(yùn)放偏置電流的補(bǔ)償

失調(diào)電流和失調(diào)電壓類(lèi)似，如果說(shuō)偏置電流是共模干擾，我們可以通過(guò)阻抗匹配進(jìn)行抵消。那么失調(diào)電流就屬于對(duì)管不對(duì)稱(chēng)引入的差模信號(hào)了，這個(gè)差模電流會(huì)在信號(hào)源內(nèi)阻上產(chǎn)生輸入電壓，破壞運(yùn)放的平衡。同樣，失調(diào)電流也會(huì)受到溫度的影響而漂移，這里也有一個(gè)參數(shù)用于描述溫度對(duì)失調(diào)電流的影響dIIO/dT。

2.2.4 噪聲水平（Noise）

噪聲信號(hào)屬于隨即信號(hào)，這是器件的工藝水平所決定的。一般晶體管的噪聲有：熱噪聲、散粒噪聲、閃礫噪聲。噪聲的水平用噪聲電壓密度進(jìn)行衡量，單位為nV/sqrt(Hz)。這是對(duì)器件噪聲水平的衡量指標(biāo)，如果對(duì)整個(gè)放大電路進(jìn)行評(píng)估，可以使用信噪比進(jìn)行衡量。

2.2.5 輸入阻抗和輸出阻抗

輸入阻抗用是衡量一個(gè)運(yùn)放“虛短虛斷”能力的一個(gè)指標(biāo)，我們希望盡可能提高輸入阻抗，這樣對(duì)信號(hào)源的輸出阻抗要求就沒(méi)有那么高，降低運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)的衰減影響。

輸出阻抗則是用來(lái)衡量運(yùn)放驅(qū)動(dòng)能力的一個(gè)指標(biāo)，輸出的阻抗我們希望越小越好，阻抗越小輸出能力越強(qiáng)。應(yīng)用運(yùn)放的輸出能力，我們可以構(gòu)建設(shè)計(jì)跟隨器，來(lái)提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

圖 2-9 電壓跟隨電路

2.2.6 開(kāi)環(huán)增益

開(kāi)環(huán)增益決定了運(yùn)放的放大能力，同樣也決定了負(fù)反饋放大電路中反饋的深度。開(kāi)環(huán)增益越大，放大電路的反饋深度能夠做得越深，那么動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能就越好。但是過(guò)高的開(kāi)環(huán)增益可能會(huì)導(dǎo)致反饋環(huán)路的不穩(wěn)定甚至震蕩，需要我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)中特別小心超高開(kāi)環(huán)增益運(yùn)放的使用。在負(fù)反饋電路中，常常使用的一個(gè)小技巧，通過(guò)在輸出和反相端接入一個(gè)3~10pf的電容來(lái)補(bǔ)償運(yùn)放的相位，防止輸出出現(xiàn)震蕩，注意這可不是積分電路哦！

圖 2-10 負(fù)反饋的相位補(bǔ)償

2.2.7 頻率響應(yīng)

在頻率特性參數(shù)里面，最重要的就是帶寬增益積（GBW）和壓擺率（SR）。開(kāi)環(huán)增益參數(shù)體現(xiàn)的是運(yùn)放的直流輸出特性，隨著頻率的升高，內(nèi)部的晶體管結(jié)電容的存在會(huì)影響運(yùn)放的增益和相位。簡(jiǎn)單來(lái)看，帶寬和增益的積是一個(gè)固定值（其實(shí)是粗略的等效）。一般我們定義Gain=1的帶寬增益積，這樣我們可以快速評(píng)估，在特定頻率下的反饋深度（開(kāi)環(huán)增益Avo）。實(shí)際精確的頻率響應(yīng)，我們還是要參考帶寬增益曲線(xiàn)，如圖2-11。

圖 2-11 開(kāi)環(huán)增益和相位隨頻率變化

壓擺率反應(yīng)的是運(yùn)放的“開(kāi)關(guān)”響應(yīng)速度，當(dāng)運(yùn)放的信號(hào)達(dá)到的壓擺率的邊緣，那么運(yùn)放一定已經(jīng)不是工作在線(xiàn)性區(qū)了。要么由線(xiàn)性區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)，要么由飽和區(qū)進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)。

舉個(gè)例子，一般我們常常采用運(yùn)放構(gòu)造PI調(diào)節(jié)器。如圖2-12，如果反饋的信號(hào)一直沒(méi)有達(dá)到參考ref，誤差信號(hào)就會(huì)在積分器輸出累計(jì)，導(dǎo)致輸出偏向電源軌（可能正偏也可能反偏），最終PWM-Duty達(dá)到最大，積分器進(jìn)入飽和。那么在這個(gè)時(shí)候，如果將ref 調(diào)小，PWM-Duty能夠達(dá)到輸出要求，運(yùn)放并不能馬上進(jìn)入負(fù)反饋，而是沿著壓擺率（最快的速度）退出飽和。退飽和到反饋調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度可能是不如在線(xiàn)性區(qū)的開(kāi)環(huán)增益大（響應(yīng)速度快），這就是壓擺率在環(huán)路響應(yīng)中的意義。

圖 2-12 運(yùn)放構(gòu)造的積分電路

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圖 2-13 壓擺率的測(cè)試波形