运算放大器的选择方法

运算放大器的选择方法偏置电压和输入偏置电流注意电源的影响音频和视频应用中的噪声/相位误差注意避免一些常见的错误Spice辅助设计要选择一个好的运算放大器，首先须了解设计对放大器的要求。知道在参数表中要查找什么，了解运算放大器的制造工艺也有助于选择适合设计要求的最佳运算放大器。假设有一种完美的放大器，适用于任何电路设计。这种完美的运算放大器具有无限大的开环增益和带宽，其偏置电压、输入偏置电流、输入噪声和电源电流都为零，它能够在任意电源电压下工作。既然它是真正完美的，那也应该是免费的。但这种完美的运算放大器实际上根本不存在，也不可能存在。于是销售商就提供了各种各样的运算放大器，每种都有各自不同的性能、特点和价格。了解放大器的最重要的参数，就能够找到最合适的运算放大器。偏置电压和输入偏置电流在精密电路设计中，偏置电压是一个关键因素。对于那些经常被忽视的参数，诸如随温度而变化的偏置电压漂移和电压噪声等，也必须测定。精确的放大器要求偏置电压的漂移小于200μV和输入电压噪声低于６nV/√Hz。随温度变化的偏置电压漂移要求小于1μV/℃。低偏置电压的指标在高增益电路设计中很重要，因为偏置电压经过放大可能引起大电压输出，并会占据输出摆幅的一大部分。温度感应和张力测量电路便是利用精密放大器的应用实例。低输入偏置电流有时是必需的。光接收机中的放大器就必须具有低偏置电压和低输入偏置电流。图１所示为一种典型的结构。光电二极管的泄漏电流小于５nA，所以放大器必须具有更小的输入偏置电流。CMOS和JFET输入放大器是目前可用的具有最小输入偏置电流的运算放大器。图1：光电二极管放大器必须具有低偏置电压和非常低的输入偏置电流。在所有放大器中，斩波放大器提供了最低的偏置电压和最低的随温度变化的偏置电压漂移。许多重量计量设备对增益的要求高，需要配置高质量的精密放大器，此时斩波放大器是一种很好的选择。注意电源的影响便携式系统中的放大器要求在很低的电源电压下工作，且电源电流应很小以尽量延长电池寿命。这些放大器一般还须有良好的输出驱动能力和高开环增益。尽管许多放大器的广告号称消耗很小的电流，但在选用时仍应小心。一定要认真阅读参数表以留心低电压下工作可能引起的性能问题。有些低功耗运算放大器，当输出电压改变时其电源电流具有较宽的变化范围。在低电源电压下，输出电流驱动能力也可能显著下降。可查阅参数表以确定在特定的电源电压下所能达到的输出电流驱动能力。另一种选择是使用具有“关闭”特性的放大器。虽然这种放大器具有较高的电源电流，但当不工作时能被关闭从而进入超低电流状态。较高的电源电流可使放大器具有较快的速度和很大的输出驱动能力。音频和视频应用中的噪声/相位误差在音频应用中，运算放大器主要有两个作用：麦克风放大、耳机或扬声器输出。这种音频I/O组合在大多数蜂窝电话、计算机、电视和家庭立体声设备中应用普遍。图2示出了一种典型的PC音频系统配置。图2：一种典型的计算机音频系统配置，噪声要尽可能小。对麦克风放大器的噪声要求很高，这是因为放大器能提供20dB到40dB的增益，它既能放大麦克风的信号，也能放大任何来自运放的噪声。耳机和扬声器放大器必须能输出大电流，因为大多数耳机的阻抗在100欧姆或更小，大多数扬声器的阻抗是8 欧姆。近年来半导体技术的发展导致了快速放大器的出现。这些新的放大器使得设计者可以用高速运放代替分立电路。视频应用电路即是一个很好的例子。许多视频应用要求增益特性的相位误差最小。相位误差可导致色彩偏离和视觉失真。高速放大器在保持低相位误差的同时，仍能获得所要求的增益。大多数高速运算放大器的参数表都给出了相位误差，应该把各种运算放大器的相位误差做一个比较。电流反馈放大器是现有的速度最高的放大器之一。由于这种放大器与电压反馈放大器的工作方式不同，务必阅读参数表中的应用说明以获得最佳效果。注意避免一些常见的错误运算放大器参数表包含许多信息，但有时可能很难通过比较两个参数表来确定哪种运放性能更优。输入共模电压范围指标即是一个例子。这个参数常被误用。为确保正常工作，要注意共模抑制比(CMRR)的测试条件。给出的测试条件表示共模输入电压范围。轨-轨输入放大器的共模输入电压范围是从负电源(V-)到正电源(V+)。与输入电压

范围不同，运算放大器的输出电压摆幅并没有清晰的定义。大多数单电源放大器参数表都给出了针对高、低两种输出摆幅下的电压指标。它表示当放大器吸入和泵出电流时，放大器的输出摆幅接近正电源和地的能力。可惜的是，一般无法根据不同厂商的参数表对这些数值进行直接比较，因为不同的供应商会以不同的方式定义输出负载。关键要看负载是电阻还是电流源。如果负载是电流源，那么可测量相似的负载电流，这样就能很容易地比较不同放大器间的输出电压摆幅。若负载是电阻，则要判断该电阻是与电源电压Vcc相连，还是与参考电压Vcc/2相连，或是接地。负载连接到Vcc/2将使放大器的输出级可以泵出和吸入电流，但放大器的输出电流相当于负载接地或接到正电源情况下的一半。这种输出电流的差别可使得运算放大器的摆幅接近正负电源的值。这在某种程度上可能误导，因为在大多数单电源直流应用电路设计中，负载都直接接地，放大器输出的摆幅达不到正电源的值。附表比较了几种流行的轨-轨输出放大器，并说明了在给定的输出电流条件下输出电压接近正负电源的程度。几种流行运算放大器的V out与Iout之比较电容驱动能力是一个在参数表中经常定义含糊的参数。所有的放大器对容性负载的灵敏度有不同程度的差别。一些低功耗放大器相对于仅仅几百个皮法的容性负载就可能变得不稳定。因此，这些放大器的参数表可能会隐藏这个事实。要确定放大器对于输出电容的灵敏度，可以通过相对于容性负载的过冲（overshoot）曲线图来决定。另一个较好的示意图是小信号响应图，可用来观测过冲的程度和特定容性负载的下降时间。某些参数表还提供了相对容性负载的增益-带宽示意图。减小过冲和阻尼振荡的一个方法就是在输出负载上并联一个串联R-C网络(图3)。可通过实验来确定这个网络(也称阻尼电路)的最佳值。也能在器件的应用说明中找到减小过冲和阻尼振荡的其它方法。图3：减小来自容性负载的过冲和阻尼振荡的阻尼网络。CMOS与双极型工艺技术的比较十年来，放大器工艺技术已取得了很大发展。了解不同工艺方法的优点有助于运算放大器的选择。CMOS和互补双极型是两种最为流行的放大器工艺技术。CMOS放大器工艺进展较快。几年以前只有几家公司能提供采用CMOS工艺的低成本、低性能放大器。今天，大多数厂商都能供应参数齐全、性能优良的CMOS放大器。但偏置电压漂移和速度仍是两个较薄弱的环节。对于所选器件，带宽低于10MHz时，偏置电压漂移应限制在略低于1mV。CMOS工艺的主要优势在于价格，起初是想用于大批量生产的数字产品，这种工艺有助于降低中等性能的放大器价格。CMOS工艺提供的技术优势是运算放大器的输入偏置电流特别小，在皮安培（pA）级。这对于高电源阻抗的应用特别重要，例如光接收机中的光电二极管放大器，或耗电尽可能小的电池监测器。或许CMOS放大器的主要局限是其最大和最小电源电压。由于其几何形状较小，晶体管击穿电压也减小了。大多数CMOS放大器必须在6V或更低的电压下工作。对多数低功耗应用来说，这不成问题，但某些便携式应用却是例外。一个例子就是电池监视，电池电源电压变化很大，可以从满充状态的5V到接近耗尽时的2.2V。然而，若电池连接到充电器上，电源电压有可能增加到12V。双极型工艺通常允许较高的电源电压。由于双极型晶体管的宽动态范围，其工作电压容易做到比CMOS放大器更低。在低功耗、低漂移、噪声和速度等方面，双极型工艺都很出色，所以它不仅是一种大有发展前途的工艺，还是一种能满足各种性能放大器要求的工艺。也有将两种工艺结合到一起的工艺技术，如互补双极互补CMOS(CBCMOS)。这种“混合” 工艺技术的构想是将每种技术的优点都集中到运算放大器上。例如，ADI的OP186就采用了一个双极型输入级来将噪声和漂移减至最小，同时在输出级采用CMOS晶体管来改善输出驱动性能而无需增加器件尺寸。在低电压下工作且具有良好性能的运算放大器，仍将主要采用双极型工艺。在主要考虑成本因素的场合，可以采用CMOS工艺。在成本不变的情况下，性能将持续不断地提高。随着工艺技术的改进，CMOS的速度将逐渐提高，其精度也将通过工艺和电路技术的改进而提高。Spice辅助设计选定所需要的运算放大器以后，最好能在计算机上利用Spice仿真器来模拟电路的设计。这样可在电路制做出来之前验证设计的正