運(yùn)放中的那些坑——第二篇

做1pps驅(qū)動(dòng)電路，要求上升沿≤5ns，FPGA輸出的信號(hào)用運(yùn)放跟隨增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)上升沿達(dá)不到要求。為什么呢？因?yàn)闆](méi)有考慮到一個(gè)重要的指標(biāo)，壓擺率。壓擺率是指：輸入為階躍信號(hào)時(shí)，閉環(huán)放大器的輸出電壓時(shí)間變化率的平均值。即輸入一個(gè)理想的階躍信號(hào)，輸出會(huì)是一個(gè)帶斜率信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的爬升速率就是壓擺率。

看一下這個(gè)運(yùn)放的壓擺率：

根本達(dá)不到要求啊，5ns只能爬升20mV，所以，上升沿根本達(dá)不到設(shè)計(jì)需求。怎么辦呢？后期飛線增加了一個(gè)脈沖增強(qiáng)電路。

脈沖增強(qiáng)電路C4和R4，相當(dāng)于一個(gè)微分電路C4和RL（當(dāng)C x RL遠(yuǎn)小于壓擺率時(shí)間）加一個(gè)直流電阻R4，使得負(fù)載RL上的信號(hào)邊沿變得更加陡峭。分析一下：

a.電容C4與RL形成分壓電路，根據(jù)下圖的計(jì)算公式，C4上電壓的變化率等于RL上的電壓值。

b.那么假設(shè)電容電壓變化率在0-τ范圍內(nèi)是幾乎不變化的，那么負(fù)載RL上面的電壓也是幾乎不變的，一旦電容開(kāi)始充電（電壓發(fā)生變化），負(fù)載RL的電壓就上升到頂點(diǎn)。記為波形1，如下圖。

c.然后在電容充電結(jié)束后開(kāi)始下落，為了解決沒(méi)有變化率就沒(méi)有電壓的問(wèn)題，增加一個(gè)直流電阻R4維持波形，它是一個(gè)直通波形，也就是原始波形，記為波形2。

d.兩個(gè)波形合在一起后，由于波形1，波形2的上升沿得到極大增強(qiáng)，從而使得合成波形上升沿得以改善。

7、運(yùn)放十坑之七——電流反饋型運(yùn)放的反饋電阻

為了擴(kuò)大外部驅(qū)動(dòng)能力，一般會(huì)在最后一級(jí)增加一個(gè)跟隨電路，選擇電流反饋運(yùn)放-CFA增加運(yùn)放的輸出帶寬。好簡(jiǎn)單哦，可惜你就是調(diào)不出來(lái)。還是先看圖吧。好簡(jiǎn)單哦，可惜你就是調(diào)不出來(lái)。還是先看圖吧。

什么電源軌、共模輸入范圍、增益積帶寬、帶載能力、壓擺率。。。我全都考慮了啊，還是不對(duì)呢？

因?yàn)椋?span style="">CFA和VFA（電壓反饋運(yùn)放）不一樣，讀書(shū)時(shí)學(xué)的運(yùn)放，基本上老師都是拿VFA進(jìn)行舉例和講解。下圖是CFA運(yùn)放的模型：

它與VFA區(qū)別是，輸入端不再是兩個(gè)都虛斷，反相輸入電阻Z_B是個(gè)非常小的值，但又絕對(duì)不能認(rèn)為是零；它的開(kāi)環(huán)增益Gout不再是非常大，而是約等于1；它的跨阻Z可以認(rèn)為是無(wú)窮大。

因此，CFA的跟隨電路的電路模型如下：

解出Aβ等于：

它的閉環(huán)增益是：

當(dāng)沒(méi)有反饋電阻ZF的時(shí)候，A約等于1，ZF趨近于0，Aβ趨近于無(wú)窮，增益趨近于0，和想要的跟隨電路完全不一樣，也就是網(wǎng)上常說(shuō)的“CFA不加反饋電阻就沒(méi)信號(hào)”。（沒(méi)找到這句話，忘記是在哪里看到的了，只能看下CFA手冊(cè)上對(duì)反饋電阻的介紹）

因此，要增加一個(gè)反饋電阻，電路就會(huì)正常工作了。

PS：上面推導(dǎo)計(jì)算有技巧，只能從Aβ進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)，因?yàn)镃FA的計(jì)算前提是反相輸入電阻Z_B是個(gè)非常小的值；它的跨阻Z可以認(rèn)為是無(wú)窮大，所以，要在求極限是找到一個(gè)單一變量，如果按照最終表達(dá)進(jìn)行求極限，一個(gè)函數(shù)，三個(gè)變量（Z_F趨近于0，Z_B趨近于0，Z趨近于無(wú)窮），沒(méi)法玩，如下圖。

8、運(yùn)放十坑之八——失效的AD620

在我讀大學(xué)的年代，儀用放大器絕對(duì)是一個(gè)高X格的詞語(yǔ)，在那個(gè)還常見(jiàn)三運(yùn)放搭差分運(yùn)放的年代，儀放是超高共模抑制比、高溫度穩(wěn)定性的代名詞，正相反相兩個(gè)電壓差一減，就得到了結(jié)果，這絕對(duì)是一個(gè)采集EEG信號(hào)（腦電波(Electroencephalogram,EEG)是一種使用電生理指標(biāo)記錄大腦活動(dòng)得方法）的好東西啊。

由于EEG信號(hào)幅度很小，加上前級(jí)放大，也不過(guò)1V左右，因此，屢試不爽也沒(méi)什么問(wèn)題。后來(lái)要做一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)，就不正常了。還是先看圖吧：

采集4-20mA電流，得到1V-5V電壓差，放大2倍后進(jìn)入后級(jí)ADC。為了防止電阻功耗過(guò)高，R128，R129，R130三個(gè)電阻采用了并聯(lián)取值的方式，最終取到了250Ω這個(gè)值。

分析一下，正相輸入端2V-10V，符合器件輸入范圍（VCC-1.4V），反相輸入端1V-5V，我加了負(fù)電，那更是符合了；然后看放大倍數(shù)2倍，Vmax=10V，也符合器件輸出范圍（VCC-1.4V）；電源、放大倍數(shù)、去耦等等都沒(méi)有問(wèn)題。這是一個(gè)顯得沒(méi)有任何錯(cuò)誤的原理圖，但是實(shí)際上，它會(huì)在高輸入電壓值時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。

看下儀放的內(nèi)部原理，就明白了（這里選一個(gè)手上有的資料，非AD620的內(nèi)部原理，其實(shí)儀放原理都差不多）

正相輸入電壓和反相輸入電壓體現(xiàn)在儀放內(nèi)部的R2處，而真正進(jìn)行輸出的電壓，是由V1out和V2out體現(xiàn)的，換一句話說(shuō)，最終增加的電壓值平分為兩份，一份由V1out提供，它會(huì)比V1高，另外一份由V2out提供，它會(huì)比V2低。

再看原理圖，在20mA的時(shí)候，Vin+達(dá)到了10V，Vin-是5V，放大2倍，在儀放內(nèi)部需要將Vin+放大到12.5V。這已經(jīng)超過(guò)了儀放供電電壓，因此，是絕對(duì)不可能正常工作的。

9、運(yùn)放十坑之九——ADC的采樣時(shí)間被運(yùn)放拖累

ADC采集信號(hào)，信號(hào)穩(wěn)定的時(shí)候，很準(zhǔn)確；信號(hào)變化的時(shí)候，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。當(dāng)然了，ADC有采樣時(shí)間，軟件工程師也知道，他采了10次，只取后5次，但是數(shù)據(jù)還是有不穩(wěn)定的狀態(tài)。讓硬件來(lái)看電路，硬件工程師說(shuō)，電路當(dāng)然沒(méi)有問(wèn)題了，全是從別人那里扣來(lái)的，怎么在我這就有問(wèn)題了？

先看ADC的指標(biāo)Tcycmin=500ns和Tacqmin=80ns，這是顆SAR型ADC，速度能上Mbps，還算挺快的。所以，它連續(xù)采樣10次，所用時(shí)間也才10μs左右。

而運(yùn)放從信號(hào)輸入到輸出，并不是一個(gè)無(wú)延時(shí)的過(guò)程，而是一個(gè)有延時(shí)還帶震蕩的過(guò)程，同時(shí)，這個(gè)過(guò)程的時(shí)間還會(huì)因?yàn)楹蠹?jí)線路的PCB設(shè)計(jì)而增大。如下圖：

看一下運(yùn)放的指標(biāo)，當(dāng)4V時(shí)，達(dá)到0.01%，時(shí)間為5.1μs，此時(shí)帶來(lái)的波動(dòng)誤差是0.4mV，而在4V范圍內(nèi)，一個(gè)16位ADC的1LSB為0.06mV。誤差可以吃掉6,7個(gè)碼字，如果再加上分布電容和走線電阻，這個(gè)時(shí)間會(huì)進(jìn)一步增加，使得后級(jí)穩(wěn)定時(shí)間增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致誤差變得更加的大。

后來(lái)，軟件工程師調(diào)低了采樣率，增加了采集時(shí)間，問(wèn)題得以解決。

10、運(yùn)放十坑之十——被遺忘的功耗

做過(guò)一款板卡，功耗要求很?chē)?yán)格，因此，設(shè)計(jì)完成后，就畫(huà)了電源樹(shù)，計(jì)算了每個(gè)器件的功耗，沒(méi)有超，然后投版，調(diào)試，一上電，功耗超標(biāo)。

后面一檢查，發(fā)現(xiàn)是運(yùn)放功耗計(jì)算的時(shí)候出現(xiàn)了問(wèn)題，下圖這樣的運(yùn)放電路用了5個(gè)。

由于是直流驅(qū)動(dòng)，在計(jì)算的時(shí)候，只考慮了運(yùn)放本身的靜態(tài)功耗，PD=15V x 4.2mA =63mW，按照最大靜態(tài)功耗來(lái)考慮，功耗余量還綽綽有余。

實(shí)際上，忽略了一個(gè)重要的功率消耗點(diǎn)：運(yùn)放供電電壓15V到輸出電壓（1V-4.5V）之間的電壓差，全部在運(yùn)放里面消耗了，按照最大壓差計(jì)算，一個(gè)電路就消耗140mW。這種耗散功率，以前從來(lái)沒(méi)有考慮過(guò)，所以，全部都選擇性的忽略了，當(dāng)遇到功耗要求緊張的需求時(shí)，問(wèn)題就暴露出來(lái)了。

后面改版的時(shí)候，選擇了低電壓給運(yùn)放供電，減少了耗散功耗，滿足了指標(biāo)要求。