運(yùn)算放大器工作原理及誤差分析

全功率帶寬BW：全功率帶寬定義為，在額定的負(fù)載時(shí)，運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個(gè)恒幅正弦大信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端，使運(yùn)放輸出幅度達(dá)到最大（允許一定失真）的信號(hào)頻率。這個(gè)頻率受到運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率的限制。近似地，全功率帶寬=轉(zhuǎn)換速率/2πVop（Vop是運(yùn)放的峰值輸出幅度）。全功率帶寬是一個(gè)很重要的指標(biāo)，用于大信號(hào)處理中運(yùn)放選型。

建立時(shí)間：建立時(shí)間定義為，在額定的負(fù)載時(shí)，運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個(gè)階躍大信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端，使運(yùn)放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時(shí)間。由于是階躍大信號(hào)輸入，輸出信號(hào)達(dá)到給定值后會(huì)出現(xiàn)一定抖動(dòng)，這個(gè)抖動(dòng)時(shí)間稱為穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間+上升時(shí)間=建立時(shí)間。對(duì)于不同的輸出精度，穩(wěn)定時(shí)間有較大差別，精度越高，穩(wěn)定時(shí)間越長。建立時(shí)間是一個(gè)很重要的指標(biāo)，用于大信號(hào)處理中運(yùn)放選型。

等效輸入噪聲電壓：等效輸入噪聲電壓定義為，屏蔽良好、無信號(hào)輸入的的運(yùn)放，在其輸出端產(chǎn)生的任何交流無規(guī)則的干擾電壓。這個(gè)噪聲電壓折算到運(yùn)放輸入端時(shí)，就稱為運(yùn)放輸入噪聲電壓（有時(shí)也用噪聲電流表示）。對(duì)于寬帶噪聲，普通運(yùn)放的輸入噪聲電壓有效值約10~20μV。

差模輸入阻抗（也稱為輸入阻抗）：差模輸入阻抗定義為，運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，兩輸入端的電壓變化量與對(duì)應(yīng)的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，在低頻時(shí)僅指輸入電阻。一般產(chǎn)品也僅僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管做輸入級(jí)的運(yùn)放的輸入電阻不大于10兆歐；場(chǎng)效應(yīng)管做輸入級(jí)的運(yùn)放的輸入電阻一般大于109歐。

共模輸入阻抗：共模輸入阻抗定義為，運(yùn)放工作在輸入信號(hào)時(shí)（即運(yùn)放兩輸入端輸入同一個(gè)信號(hào)），共模輸入電壓的變化量與對(duì)應(yīng)的輸入電流變化量之比。在低頻情況下，它表現(xiàn)為共模電阻。通常，運(yùn)放的共模輸入阻抗比差模輸入阻抗高很多，典型值在108歐以上。

輸出阻抗：輸出阻抗定義為，運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，在運(yùn)放的輸出端加信號(hào)電壓，這個(gè)電壓變化量與對(duì)應(yīng)的電流變化量的比值。在低頻時(shí)僅指運(yùn)放的輸出電阻。這個(gè)參數(shù)在開環(huán)測(cè)試。

3． 運(yùn)算放大器的對(duì)信號(hào)放大的影響和運(yùn)放的選型
由于運(yùn)算放大器芯片型號(hào)眾多，即使按照上述辦法分類，種類也不少，細(xì)分就更多了，這對(duì)于初學(xué)者就難免犯暈。本節(jié)力求通過幾個(gè)實(shí)際電路的分析，明確運(yùn)算放大器的對(duì)信號(hào)放大的影響，最后總結(jié)如何選擇運(yùn)放。

CA3140的主要指標(biāo)為：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓 μV 5000
輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 8
輸入失調(diào)電流 pA 0.5
輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 0.005

這樣可以計(jì)算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 5000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 0.0045
合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 5000
輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 2.5
輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 5
輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 20
輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 50
輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 500

初步結(jié)論是：高阻運(yùn)放的輸入失調(diào)電流很小，它造成的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及輸入失調(diào)電壓造成的誤差，可以忽略；而輸入失調(diào)電壓造成的誤差仍然不小，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調(diào)零消除。

這樣可以計(jì)算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 200
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 0.001
合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 200
輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.1
輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.2
輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.8
輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 2
輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 20

初步結(jié)論是：高阻運(yùn)放的輸入失調(diào)電流溫漂很小，它造成的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差，可以忽略；在使用高阻運(yùn)放時(shí)，由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號(hào)。若以上兩項(xiàng)誤差合計(jì)將更大。
由于高阻運(yùn)放的輸入失調(diào)電流只有通用運(yùn)放的千分之一，因此若其它條件不變，僅僅運(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍，幾乎不會(huì)造成可明顯察覺的誤差。

HA5159的主要指標(biāo)為：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓 μV 10000
輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 20
輸入失調(diào)電流 nA 6
輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 60

這樣可以計(jì)算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 54.5
合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 10054
輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 5.0
輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 10.1
輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 40.2
輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 100.5
輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 1005

初步結(jié)論是：輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流造成的誤差較大，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調(diào)零消除。其中輸入失調(diào)電壓造成的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過輸入失調(diào)電流造成的誤差。

這樣可以計(jì)算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 13.6
合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 513

輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.3
輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.51
輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 2.05
輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 5.14
輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 51.4
初步結(jié)論是：在使用高速運(yùn)放時(shí)，由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號(hào)。若以上兩項(xiàng)誤差合計(jì)將更大。

若其它條件不變，僅僅運(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：
這樣可以計(jì)算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 109
合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 10109
這樣可以計(jì)算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 27.3
合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 527
初步結(jié)論：僅僅運(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以，對(duì)于高阻信號(hào)源或是運(yùn)放外圍的電阻較高時(shí)，輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差會(huì)很快增加，甚至有可能超過輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差，所以這時(shí)需要考慮采用高阻運(yùn)放或是低失調(diào)運(yùn)放。

低功耗運(yùn)放LF441的主要指標(biāo)為：
項(xiàng)目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓 μV 7500
輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 10
輸入失調(diào)電流 nA 1.5
輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 15