運(yùn)算放大器的選擇

　　在眾多系統(tǒng)的“模擬連接”電路中，運(yùn)算放大器都是不可或缺的元件。盡管種類和數(shù)量繁多，但設(shè)計(jì)師在選擇運(yùn)算放大器時，往往關(guān)注幾個基本門類中的一種以縮小選擇范圍，但這幾類運(yùn)算放大器的一些假象和誤區(qū)將導(dǎo)致次優(yōu)的選擇。

　　微功耗

　　隨著電池供電設(shè)備的激增，靜態(tài)電流僅1μA(或更低)的低功耗運(yùn)算放大器變得日益普及。通過研究放大器級的總靜態(tài)電流可知：為了保持低消耗電流，必須選擇具有兆歐(MΩ)級阻值的反饋網(wǎng)絡(luò)電阻器，這有可能影響放大級的噪聲和準(zhǔn)確度指標(biāo)。放大器負(fù)載電流也會使總消耗電流有所增加。

　　不僅如此，這些超低供電電流放大器的運(yùn)算速度一般都非常慢(低帶寬)，因此適合于速度較慢的信號。設(shè)計(jì)師應(yīng)該牢記的是，由于其功耗很低，所以輸出電流受到限制，從而導(dǎo)致其容性負(fù)載驅(qū)動能力下降。最后(但并非最不重要)的一點(diǎn)是，用戶應(yīng)當(dāng)了解，極低功耗運(yùn)算放大器的噪聲電平較高，因而極大地限制了其在高精度應(yīng)用中的推廣使用。

　　實(shí)現(xiàn)極低功耗的另一個辦法是采用啟動(停機(jī))功能來開啟和關(guān)斷放大器。最終的極低功耗解決方案同時需要低功耗和停機(jī)功能，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)年的連續(xù)工作。

　　帶寬

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面進(jìn)行速度和功耗的權(quán)衡折衷是非常普遍的，其中就包括運(yùn)算放大器的選擇。一般來講，為了獲得較大的帶寬，就需要消耗更多的功率。然而，在現(xiàn)有的運(yùn)算放大器當(dāng)中，在一個給定的靜態(tài)電流條件下，可獲得的帶寬卻存在著顯著的差異。

　　在速度/功耗比值的優(yōu)化方面，有些運(yùn)算放大器明顯占優(yōu)，但卻隱含了一些折中和妥協(xié)。對于容性負(fù)載和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所施加的令人捉摸不定的負(fù)載，速度/功耗比的改善可能降低運(yùn)放的驅(qū)動能力。

　　設(shè)計(jì)師增加速度/功耗比的方法之一是采用所謂“去補(bǔ)償”運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。去補(bǔ)償?shù)念愋涂赏ㄟ^“最小穩(wěn)定增益”規(guī)格或諸如“如果G>3”等描述來區(qū)分。

　　在處于(或高于)其額定最小閉環(huán)增益的電路中使用時，這些類型的運(yùn)算放大器會有明顯的優(yōu)勢。必須稍加留意的是，在高頻條件下，采用一個旨在實(shí)現(xiàn)受控帶寬滾降的反饋電容實(shí)際上將把運(yùn)算放大器置于單位增益狀態(tài)，并有可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。

　　采用去補(bǔ)償運(yùn)算放大器時，諸如濾波器或那些采用罕見反饋網(wǎng)絡(luò)的特殊電路有可能并不穩(wěn)定。如果感到懷疑，可檢查一下電路對某個脈沖的響應(yīng)。振鈴過大或許意味著采用一個標(biāo)準(zhǔn)的單位增益運(yùn)算放大器可能是一種更好的選擇。

　　軌至軌運(yùn)算放大器

　　在選擇運(yùn)算放大器時，設(shè)計(jì)師常常要求其具有軌至軌能力。這似乎是一種顯而易見的選擇，因?yàn)樵S多應(yīng)用都得益于最大信號擺幅。但可能并不需要真正的軌至軌運(yùn)算放大器，而且在應(yīng)用中甚至還會有不利的一面。

　　軌至軌意味著運(yùn)算放大器具有軌至軌輸入和軌至軌輸出能力。軌至軌輸出只是一個相對術(shù)語，因?yàn)槟壳吧袩o定義該術(shù)語的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。視負(fù)載條件的不同，軌至軌輸出放大器可以在與電源軌相差數(shù)毫伏至數(shù)百毫伏的范圍內(nèi)擺動。

　　某些用于更高工作電壓的運(yùn)算放大器，如果其輸出擺幅與電源軌相差不超過1V，也會被稱為軌至軌輸出。應(yīng)查看器件數(shù)據(jù)表“大字標(biāo)題”以外的數(shù)字，以便將輸出擺幅與您的負(fù)載條件結(jié)合起來考慮。

　　而且應(yīng)該了解這樣一點(diǎn)，就是各家制造商所采用的測試方法是不盡相同的。有些制造商采用“沖擊測試”(slam test)來測量輸出擺幅；為了獲得最大輸出，需對運(yùn)算放大器進(jìn)行過驅(qū)動。

　　當(dāng)對輸出進(jìn)行輸出擺幅測試時，用于精密信號處理的運(yùn)算放大器將確保獲得良好的開環(huán)增益，確?？梢暂敵鼋咏娫窜壍臏?zhǔn)確的無失真信號。

　　軌至軌輸入意味著輸入信號可以位于電源電壓之間的任何電平上(通常為100mV或更高)。如果需要寬輸出電壓擺幅，則在一個增益為1的緩沖器配置中就要求具有軌至軌輸入。當(dāng)閉環(huán)增益大于1時，可以不要求軌至軌輸入。反相放大器很少需要軌至軌輸入。

　　低電壓操作問題

　　低電壓操作至今仍然是另一個潛在的難以滿足的要求。信號擺動電壓變得至關(guān)重要，因?yàn)槊恳缓练妷憾家?jì)算在內(nèi)。對非軌至軌型運(yùn)算放大器必須進(jìn)行非常仔細(xì)的檢查，原因是用戶的操作空間很小。共模電壓范圍和輸出擺幅可能會因元件的不同以及溫度的變化而存在差異。

　　精度

　　精度是一項(xiàng)常見的設(shè)計(jì)要求。除了失調(diào)電壓之外，一定要考慮失調(diào)電壓的溫度變化。低失調(diào)電壓可借助激光或其他修正技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，以獲得低初始失調(diào)。如果想完成一項(xiàng)耐用的設(shè)計(jì)，則應(yīng)對總失調(diào)誤差隨溫度的變化情況加以考慮。由于運(yùn)算放大器的漂移以及所需的溫度范圍各不相同，更低的初始失調(diào)可能有助于提高精度，也可能不起作用。

　　采用雙極型輸入晶體管的運(yùn)算放大器通常能夠提供較好的失調(diào)電壓和漂移特性。具有低初始失調(diào)的修正器件往往也具有較低的漂移。盡管器件的數(shù)據(jù)表有時并未提供所使用的晶體管工藝的相關(guān)信息，但仍然能夠從其較大的輸入偏置電流(一般為1nA或更大)識別出雙極型晶體管。CMOS型晶體管的輸入偏置電流為幾十皮安。

　　為了獲得最佳的精度，自動置零或“斬波器”(chopper)型放大器實(shí)現(xiàn)了極低的失調(diào)電壓和漂移。由于它們采用了對運(yùn)算放大器中的不平衡進(jìn)行連續(xù)校正的技術(shù)，因此可在很寬的溫度范圍內(nèi)保持接近于零的失調(diào)電壓，實(shí)際上具有了抗老化能力(失調(diào)電壓隨時間的變化很慢)。

　　失調(diào)是另一個起因是放大器的輸入偏置電流。它經(jīng)常被錯誤地當(dāng)作是“輸入阻抗”，但實(shí)際上是在輸入終端中流動的這個相對較小的輸入偏置電流。

　　輸入偏置電流是流入或流出運(yùn)算放大器兩個輸入終端的較小電流。當(dāng)該電流流經(jīng)源電阻和反饋網(wǎng)絡(luò)時，它就會產(chǎn)生失調(diào)電壓和漂移。

　　CMOS和FET輸入運(yùn)算放大器能夠?qū)⑤斎肫秒娏鳒p小至幾乎可以忽略不計(jì)的水平。這樣，在溫度保持中等水平的條件下，只有阻抗非常高的特殊應(yīng)用才會受到影響。由于CMOS和FET輸入運(yùn)算放大器的輸入偏置電流會隨著溫度的上升呈指數(shù)增加(一般是溫度每升高10℃，輸入偏置電流便加倍)，因此，應(yīng)核對指示輸入偏置電流隨溫度的變化情況的性能曲線圖。

　　低噪聲

　　許多高性能應(yīng)用都要求低噪聲。在運(yùn)算放大器的噪聲規(guī)格中，設(shè)計(jì)師們往往只把注意力放在了“電壓噪聲”上，
他們認(rèn)為電壓噪聲是產(chǎn)生放大器噪聲的主要根源。然而，運(yùn)算放大器的總體噪聲性能取決于各噪聲源(電壓噪聲和電流噪聲)的綜合作用。運(yùn)算放大器的電流噪聲在經(jīng)過電路阻抗時會產(chǎn)生電壓噪聲。而且，電阻器本身還具有一個與其阻值的方根成正比的固有熱噪聲。

　　對低噪聲的追求可能會使設(shè)計(jì)師走入歧途。噪聲最低的運(yùn)算放大器采用的是雙極型輸入晶體管(而不是CMOS型或JFET型晶體管)，為此付出的代價是噪聲電流有所增加。為了得到低噪聲電壓的好處，就必須保持較低的電路阻抗。

　　封裝類型

　　制造商能否提供單通道、雙通道和四通道型號這一點(diǎn)不應(yīng)被忽視。不斷變化的系統(tǒng)要求有可能使最完備的計(jì)劃被取消，從而迫使設(shè)計(jì)師改變信號通道的配置或數(shù)量。

　　許多運(yùn)算放大器系列均提供了全部三種封裝型式，從而為設(shè)計(jì)提供了最大的靈活性。電路板布局的約束條件也會令最初的設(shè)計(jì)方案被迫改弦更張。四通道器件給人的最初印象似乎是效率最高，但它們往往會使電路板布局的復(fù)雜程度大為增加。

　　各種新型封裝的電路板占位面積正在日益縮小。單通道運(yùn)算放大器可采用SOT23封裝以及結(jié)構(gòu)相似但外形更加小巧的SC70封裝，雙通道器件有SOT23-8封裝，采用WCSP芯片級封裝的運(yùn)算放大器的占位面積更小。在著手尋找運(yùn)算放大器之前，應(yīng)該先檢查一下制造能力，因?yàn)楝F(xiàn)有設(shè)備未必能處理所有的封裝型式。

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