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運(yùn)放電路設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)

冬至子 ? 來(lái)源:硬件三人行 ? 作者:郝舶涵 硬件研發(fā) ? 2023-07-08 17:14 ? 次閱讀

輸入失調(diào)電壓(Input Offset Voltage)Vos

  • 將運(yùn)放的兩個(gè)輸入端接地,理想運(yùn)放輸出為零。但實(shí)際運(yùn)放輸出不為零。將輸出電壓除以增益得到的等效輸入電壓稱(chēng)為輸入失調(diào)電壓。
  • 一般定義為運(yùn)放輸出為零時(shí),兩個(gè)輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。該值反映了運(yùn)放內(nèi)部電路的對(duì)稱(chēng)性,對(duì)稱(chēng)性越好,輸入失調(diào)電壓越小。
  • Vos越小,芯片價(jià)格就越貴。

圖片

  • 規(guī)格書(shū)上一般給出了1)25c典型值;2)全溫度值。我們?cè)谶x擇運(yùn)放的時(shí)候,還是要看全溫度的最大值。因?yàn)槲覀兒茈y預(yù)測(cè)產(chǎn)品用在什么情況下。所以為了保證worst case design。我們要選考慮Vos的最大值。

輸入失調(diào)電壓的溫漂(Offset Voltage Drift)

  • 又叫溫度系數(shù)TC VOS,高精度的是幾個(gè)nV/C,一般為幾個(gè)uV/C
  • 輸入失調(diào)電壓的溫度漂移(簡(jiǎn)稱(chēng)輸入失調(diào)電壓溫漂)αVIO:定義為在給定溫度范圍內(nèi),輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值。
  • 作為輸入失調(diào)電壓的補(bǔ)充,便于計(jì)算在給定的工作范圍內(nèi),放大電路由于溫度變化造成的輸入失調(diào)電壓漂移大小。

輸入偏置電流(Input Bias Current)IB

  • 定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí),運(yùn)放兩輸入端流進(jìn)或流出直流電流的平均值。
  • 輸入偏置電流對(duì)進(jìn)行高阻信號(hào)放大、積分電路等對(duì)輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流與制造工藝有一定關(guān)系。
  • I~B ~比較大,對(duì)原信號(hào)影響大,相當(dāng)于對(duì)原信號(hào)有了個(gè)分壓。
  • 一般是pA級(jí),nA級(jí)。

圖片

  • 上圖是Ib和Vos的一個(gè)等效示意圖。Ib是流向地的。Vos疊加在輸入端的。Vos可能是正,也可能是負(fù),正的話(huà),就是在信號(hào)上疊加,負(fù)的話(huà),就是在原信號(hào)上扣除。運(yùn)放所謂的線(xiàn)性,也是在扣除或者疊加Vos之后,表現(xiàn)出的特性。也可以從軟件端扣除Vos的影響。

圖片

輸入失調(diào)電流(Input Offset Current)Ios

  • 是Ib的補(bǔ)充
  • 輸入失調(diào)電流定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí),其兩輸入端偏置電流的差值(同相端Ib與反向端Ib的差值)。輸入失調(diào)電流同樣反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對(duì)稱(chēng)性,對(duì)稱(chēng)性越好,輸入失調(diào)電流電流越小。

共模電壓輸入范圍(Input Common-Mode Voltage Range)Vcm

  • 運(yùn)放兩輸入端與地間能加的共模電壓的范圍。
  • Vcm“包括”正、負(fù)電源電壓時(shí)為理想特性。
  • 所謂“Rail to Rail Input”就是指輸入共模電壓范圍十分接近電源軌,一般可以低于負(fù)電源軌,而稍微低于正電源軌。

輸出動(dòng)態(tài)范圍特性(Output Characteristics)

  • 即輸出電壓范圍,所謂“Rail to Rail Output”即軌對(duì)軌輸出,輸出Voh、Vol極為接近供電軌,會(huì)有幾十mV的距離,也與負(fù)載有關(guān)。

輸出電流特性(Short Circuit Limit)

  • 即運(yùn)放的帶載能力,一般會(huì)給出Sink、Source電流大小,也有運(yùn)放只給出短路時(shí)的極限電流。這個(gè)參數(shù),設(shè)計(jì)時(shí)候,要考慮最小值。

壓擺率(Slew Rate)SR

  • 也稱(chēng)轉(zhuǎn)換速率,定義為:運(yùn)放接成閉環(huán)條件下,將一個(gè)大信號(hào)(含階躍信號(hào))輸入到運(yùn)放輸出端,從運(yùn)放的輸出端測(cè)運(yùn)放的輸出上升速率。
  • 由于在轉(zhuǎn)換期間,運(yùn)放的輸出端處于開(kāi)關(guān)狀態(tài),所以運(yùn)放的反饋回路不起作用,也就是轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無(wú)關(guān)。

增益帶寬積(Gain Bandwidth Product)GBP

  • 單位增益帶寬定義:運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下,講一個(gè)恒幅正弦小信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端,從運(yùn)放的輸出端測(cè)得閉環(huán)電壓增益下降3db(或是相當(dāng)于運(yùn)放輸入信號(hào)的0.707)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率。 這個(gè)參數(shù)決定了單級(jí)放大倍數(shù)。

開(kāi)環(huán)增益(Open-Loop Voltage Gain)Aol

  • 定義為當(dāng)運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí),運(yùn)放輸出電壓與差模電壓輸入電壓的比值。
  • 由于差模開(kāi)環(huán)直流電壓增益很大,大多數(shù)運(yùn)放的差模開(kāi)環(huán)直流電壓增益一般在數(shù)萬(wàn)倍或更多,用數(shù)值直接表示不方便比較,所以一般采用分貝方式記錄和比較。
  • 理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益為無(wú)窮大,實(shí)際運(yùn)放一般在80dB – 150dB。

圖片

共模信號(hào)抑制比(Common Mode Rejection)

  • 共模抑制比定義為當(dāng)運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí),運(yùn)放差模增益與共模增益的比值。即在運(yùn)放兩端輸入端與地間加相同信號(hào)時(shí),輸入、輸出間的增益稱(chēng)為共模電壓增益AVC,則CMRR = AV/AVC
  • 共模抑制比是一個(gè)極為重要的指標(biāo),它能夠抑制共模輸入的干擾信號(hào)。值越大,運(yùn)放能夠抑制干擾的能力越強(qiáng)。也越貴。

電源紋波抑制比(Supply Voltage Rejection)

  • 定義為運(yùn)放工作于線(xiàn)性區(qū)時(shí),運(yùn)放輸入失調(diào)電壓隨電源電壓的變化比值。即正、負(fù)電源電壓變化時(shí),該變化量出現(xiàn)在運(yùn)放的輸出中,并將其換算為運(yùn)放輸入的值。
  • 若電源變化△Vs時(shí)等效輸入換算電壓為△Vin,則PSRR = △Vs/△Vin。
  • 電源電壓抑制比反映了電源變化對(duì)運(yùn)放輸出的影響。
  • 高頻對(duì)應(yīng)PSRR值會(huì)變小,所以,一般考慮layout上,在運(yùn)放電源管教附近加電容來(lái)濾掉電源中的高頻噪聲。

噪聲密度(Noise Density)

  • 運(yùn)放本身內(nèi)部電路也有固有存在的噪聲,氛圍電壓噪聲和電流噪聲。
  • 通常規(guī)格書(shū)中以 nV/rtHz 和 pA/rtHz 來(lái)表示,也就是與頻率相關(guān)的一個(gè)指標(biāo)。
  • 參數(shù)越小,運(yùn)放自身引入到系統(tǒng)的噪聲也越小。
  • 音頻處理時(shí)候,會(huì)選擇該參數(shù)小的,比如LMV721,LMV722(8.5nV/rtHz,1kHz以下)
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