前言:
本小节将深入到运放本身的关键参数,方便各位小伙伴在对运放电路的选型时的参考。
关键词:
- 输入失调电压
- 输入偏置电流
- 输入失调电流
- 输入电压范围
- 输出电压范围
- 共模抑制比CMRR
- 开环电压增益
- 压摆率SR
- 增益带宽积
- -3dB带宽
- 满功率带宽
- 至稳时间
- 相位裕度
在上面例举了13项运放的关键参数,在开始介绍之前,需要首先了解运放的关键参数的等效模型,这个模型至关重要,将涉及到部分比较关键的参数。如下图所示,第一个是理想的运放,只是开环放大倍数Auo不是无穷大的,第二个是一个跟随器。
图1-1 表现运放指标的实际等效模型
1、输入失调电压Vos
在实际的运放内部电路中,由于电路结构以及非对称性,导致我们将运放两端全部接地时,输出其实并不为0,此时需要在运放的负端加上Vos电平,输出才能被调节到0——我们理想中加载的Vos即为运放的输入失调电压,当然我们在实际中并无法产生如此精确的调节电压值。
在高速运放或者通用运放,输入失调电压一般为mV数量级,而精密运放的输入失调电压可以做到uV级别。输入失调电压对于精密检测电路通常而言,影响巨大。
图1-2 失调电压举例
在对图1-2中的电路输入5mV(直流偏移为0V)的正弦波,测量输出端的波形为图1-2所示,这是一个同相放大电路,实际中测量发现输出电路的直流偏移量竟然为200mV的直流偏移量。这个直流偏移量我们称为输出失调电压。
仔细的同学可能会发现,在前面的关键词中,我们并没有将输出失调电压列上去,这是因为输出失调电压并不是运放的固有参数,而与众多因素相关,比如输入失调电压、电路增益、外部电阻等参数相关,所以未列出,仅知道此概念即可。不过我们还是给出输出失调电压的准确定义:一个放大电路中,当输入为0V时,输出存在的直流电压。
2、输入偏置电流
在运放的两个输入端,始终存在着两个不为0的静态流进电流,对BJT组成输入级的运放,这个电流就是输入级晶体管的基级电流IBQ,这个电流主要是用于设置晶体管的静态工作点,因此BJT运放的输入偏置电流较大,而场效应管组成的运放此值就较小。
输入偏置电流是正端和负端电流的平均值:
3、输入失调电流Ios
输入失调电流是两个输入端静态电流的差值,一般没有正负区别,因此为:
多数情况下,输入失调电流和输入偏置电流近似相等。
输入失调电压、两个端子的输入偏置电流、输入失调电流,都是以直流量的形式存在,这三点共同作用,合并产生运放的输出失调电压。
而将输出失调电压除以电路的总增益,即为等效的输入失调电压。引入等效输入失调电压的主要目的在于衡量失调电压和我们需要测量的信号之间的关系,比如等效输入失调为1mV,而测量信号为100mV左右的直流电压,显然1%的误差不会构成较大的误差,但是若测量2~10mV左右的信号,该失调电压是无法接受的。
4、输入电压范围(共模电压输入范围)
输入电压很好理解,保证运放可以正常检测的输入电压范围,也就是共模电压范围。
不同品质的运放输入电压也是有差别的,一般的运放共模输入电压范围会比电源低,较好的运放是轨到轨输入(rail to rail,一般比电源低0.1V)。
5、输出电压范围
在给定电源和负载的情况下,输出能够达到的最大电源范围,也分为是否轨到轨输出(一般相差几十mV)。
6、共模抑制比——CMRR
定义:运放的差模电压增益和共模电压增益的比值,可以用倍数表示,也可用dB表示。
一般的运放CMRR在60dB以上,高级的可以达到140dB左右。
7、开环电压增益
运放本身具有的输出电压和两个输出电压差的比值,是一个随着频率上升而下降的曲线,开环电压增益越强,说明其放大能力越强。
8、压摆率SR(slew rate)
压摆率是闭环放大器输出电压变化的最快速率,单位为V/uS
SR是表示运放正常工作时,输出端能够提供的最大变化速率,当输出信号欲实现比这个速率还快的变化时,运放就不能提供了,导致输出波形发生变化。
9、单位增益带宽
在运放的开环增益-频率图中,开环增益下降到1时(即0dB)的频率
单位增益带宽从10KHZ到1GHZ的差别很大,一般50MHZ以上就属于宽带放大器。当输入信号的频率高于此值时,运放的开环增益就会小于1,此时放大器不再具备放大功能,这个是衡量运放带宽的一个主要参数。
10、增益带宽积
在开环增益-频率图中,指定频率处,开环增益和指定频率的积,一般在增益线性变化区,增益带宽积可以认为是一个常数。
也就是说,此时放大倍数越大,带宽越小。
增益带宽积:GBW=Gain*BW
11、-3dB带宽
在闭环使用(注意是闭环,与单位增益带宽和增益带宽的开环不同),某个指定增益下,增益变为低频增益为0.707倍时的频率,分为小信号(200mV)和大信号(2V)两种。
这个是针对特定增益实测得到的,而单位增益带宽和增益带宽积是对运放开环增益性能的一种描述。
12、满功率带宽
将运放接成指定增益闭环电路,连接指定的负载,输入端加正弦波,输出为指标规定的最大输出幅度,此状态下,不断增大输入信号频率,知道出现因为压摆率限制产生失真位置,此频率即为满功率带宽。
这个条件比-3dB带宽更为苛刻,它指出在此频率内,不但输出幅度不会降低,而且能实现满幅度的大信号带载能力输出。
满功率带宽与压摆率密切相关。
13、至稳时间(建立时间)
运放接成指定增益,从输入阶跃信号开始,到输出完全进入指定误差范围所需要的时间,主要有如下几部分因素影响:
①运放的延迟
②压摆率带来的爬坡时间
③稳定时间
14、相位裕度
这个参数主要是用来评估运放的稳定性的,我们回到模电中关于反馈的介绍,在一个理想的开环反馈系统中,如下表示:
VOUT/VIN= Aol/(1+ Aolβ)
那么1+ Aolβ=0,可推导出Aolβ=-1,其中Aolβ为环路增益,即环路增益为1时,相位为-180°,此时VOUT/VIN= Aol/(1+ Aolβ)=∞,整个环路不稳定。因此必须保证当增益为0dB时,相位与-180°相差45°以上,保证稳定。
经过上面的分析,所谓的相位裕度就是当运放的开环增益下降到1时,开环相移减去-180°得到的数值。相位裕度越大,放大器也就越稳定。
15、电源抑制比PSRR
与一般电源类似,理论上,当电源电压发生改变时,运放构成的放大电路输出也不应该发生变化,当然实际上也会发生变化的。电源抑制比的具体定义如下:
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