十問十答帶你實戰(zhàn)運算放大器設(shè)計

　　本文主要講了一下關(guān)于運算放大器設(shè)計的一些知識，希望對你的學(xué)習(xí)有所幫助。

　　Q1：OPA內(nèi)部是怎樣構(gòu)成的?

　　“就是一堆晶體管”

　　- 包含輸入級，中間放大級和輸出級。基于應(yīng)用的話，不用特別關(guān)注內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

　　- 同相端和反相端輸入地方有等效二極管，就是所謂的ESD保護。一般運放內(nèi)部都會做。輸出端也有。但是因為做在芯片內(nèi)部，所以能力有限，即最大通過瞬間電流有限。

　　提示：芯片級的ESD等級和產(chǎn)品級的ESD等級完全是兩碼事，遵循的不是一個規(guī)范。

　　芯片規(guī)格書上，ESD指標雖然寫著2kV ，應(yīng)用到實際產(chǎn)品上，如果打2kV靜電上去，是無法承受的。產(chǎn)品ESD遵循的是IEC61340的標準。所以，設(shè)計過程中，想要通過選擇自身ESD高的芯片去防止浪涌，是不可取的。

　　所以一般芯片，用靜電槍直接打管腳，能承受400v靜電的已經(jīng)算頂尖芯片了。有的芯片會直接標機器模式，通常就是400v和200v這樣的值了。

　　Q2:OPA常用封裝有哪些?

　　常見1/2/4路，常用封裝基本都兼容。

　　小提示：設(shè)計時候盡量選通用封裝，否則很容易是Single Source(獨一物料，市面上沒有兼容的)，結(jié)果就是被供應(yīng)商綁架。

　　日系的很多封裝尺寸很怪異。跟歐美系的很多封裝不一樣。所以選日系芯片的時候，留個心眼，一不小心，就是single source了。

　　Q3：OPA都有哪些作用?

　　放大小信號(或縮小大信號)

　　阻抗匹配

　　信號隔離：例如跟隨放大器

　　濾波(低通，高通，帶通濾波等)：一階濾波用的比較多，提示，網(wǎng)上小工具可以用來計算參數(shù)。

　　驅(qū)動：可以驅(qū)動音響，驅(qū)動視頻設(shè)備伽馬線，這些應(yīng)用都要求瞬間輸出電流很大。

　　-運放驅(qū)動長線：線約長，分布電容越大，運放驅(qū)動容性負載，會產(chǎn)生震蕩

　　做小功率電源

　　-一般運放輸出20-30mA，跟I/O口差不多。

　　-有些特殊運放能夠輸出1-2A比較大電流的，可以當做小功率電源用，很干凈。但是不能做基準源，因為精度不夠。

　　Q4：OPA怎樣供電?

　　- 引用業(yè)內(nèi)資深專家：如果一個運放都不舍得用LDO供電，還指望談穩(wěn)定性?

　　- DCDC都不可以，最好盡量是LDO，最次也得7805。

　　Q5：OPA都有哪些類型?

　　超低功耗運放(Nano Power OPA)：幾百nA

　　低功耗運放(Micro Power OPA)：

　　高速運放(High Speed OPA)：重點兩個參數(shù)：增益帶寬積(GBP)和壓擺率(SR)

　　高精度運放(High Precision OPA)：重點兩個參數(shù)：Vos失調(diào)電壓(低于采樣電壓的一半)，溫漂

　　低噪聲運放(Low Noise OPA)：常用于腦電波，心率，脈搏等小信號采集

　　差分放大器(Fully Differential OPA)：輸入共模抑制比足夠大(有人拿高精度運放當做差分放大器，為了節(jié)省成本，但是效果不行。)

　　功率放大器(Power OPA)：功放驅(qū)動

　　音頻放大器(Audio OPA)：

　　儀表放大器(Instrumentation OPA)：共模抑制比很高。配合專門電路，能夠有效去除共模干擾。

　　其他專用型放大器

　　Q6：OPA常用的參數(shù)有哪些?

　　輸入失調(diào)電壓(Input Offset Voltage) Vos

　　輸入失調(diào)電壓的溫漂(Offset Voltage Drift)：對Vos的補充

　　輸入偏執(zhí)電流(Input Bias Current)IB：

　　輸入失調(diào)電流(Input Offset Current)Ios：是IB的補充

　　共模電壓輸入范圍(Input Common-Mode Voltage Range)Vcm：運放在某個供電下，同相端和反相端給到的最大信號范圍。

　　輸出特性(Output Characteristic)

　　輸出電流限制(Output Current Limit)：關(guān)注這個參數(shù)，主要因為，有些應(yīng)用要求輸出電流盡量大，比如輸出線很長(跳線連接兩個系統(tǒng))或者 負載輸入阻抗很小。

　　小提示：如果用長線鏈接兩個系統(tǒng)，輸出要串個電阻：1)來限流。2)防止熱插拔瞬間的浪涌。

　　ESD和浪涌的區(qū)別。

　　1) 浪涌持續(xù)的是毫秒級，ESD靜電只持續(xù)微秒或者納秒級別。

　　2) 浪涌一般示波器可以抓下來。ESD靜電一般示波器是看不到的。

　　工作電壓范圍 VDD

　　靜態(tài)工作電流(Quiescent Current)Iq

　　增益帶寬積(Gain Bandwidth Product)GBP：對交流信號非常重要 ，直流信號可以不用關(guān)注太多。

　　壓擺率(Slew Rate)SR：GBP大，意味著SR大;SR值用來反映跳變沿快慢的。

　　開環(huán)增益(Open-Loop Voltage Gain)Aol：常見120db;這個值越大，留給設(shè)計放大倍數(shù)的余量越大。也是交流特性，跟頻率密切相關(guān)。

　　電壓噪聲密度(Voltage Noise Density)en：

　　相位裕度(Phase Margin)：越大越好，越穩(wěn)定

　　共模信號抑制比(Common Mode Rejection)：反映了對共模干擾信號的抑制能力，值越大越好。

　　電源紋波抑制比(Supply Voltage Rejection)：反映了對供電端噪聲的抑制能力，值越大越好。

　　Q7：三極管放大能代替運放放大嗎?

　　Yes：運放內(nèi)部本身就是一堆晶體管的集成，音樂發(fā)燒友所推崇的所謂“膽機”，很多就是用分立的晶體管、電子管所設(shè)計。

　　No：但是三極管參數(shù)一致性差，放大電路批量生產(chǎn)良率低，需要微調(diào)參數(shù)，生產(chǎn)工藝麻煩。

　　Q8：什么是軌至軌運放?

　　軌(Rail)指的是供電電壓

　　共模輸入電壓(Common Mode Input Voltage)范圍“包含(超過一點)”供電電壓，即所謂軌至軌輸入。

　　輸出電壓范圍“包含(幾乎達到)”供電電壓，即所謂軌至軌輸出。

　　Q9：運放可以用作比較器么?

　　Yes：

　　大部分運放是可以再開環(huán)下工作的

　　No：

　　-有一些運放的同相輸入與反相輸入之間有嵌位二極管(差分二極管保護)，用作比較器時(壓差超過0.7v)會導(dǎo)致其中一個嵌位二極管導(dǎo)通，(如果源輸入阻抗很低，可以供的電流很大)從而有大電流流過，甚至燒壞芯片。

　　(看差模輸入電壓范圍，這個參數(shù)大，說明沒有嵌位二極管。可以用。)

　　-反應(yīng)速度慢，即使高速運放，也不夠快。

　　-穩(wěn)定性不佳，過載飽和時恢復(fù)時間長。

　　- 輸出無法真正到軌

　　輸入級由于補償電路作用，可以超過供電軌，但是輸出級由于晶體管的導(dǎo)通內(nèi)阻，無法真正到軌，會有幾mV~幾十mV的差距。

　　- 輸出誤差和帶負載阻抗相關(guān):負載大,輸出小，負載很重，輸出到電源軌的差距就很大

　　Q10：怎樣選擇合適的運放?

　　直流信號：

　　- 確定信號具體特性：信號范圍，精度。確定好這些參數(shù)，甚至就可以直接聯(lián)系FAE來幫助選型。

　　- 輸入失調(diào)電壓(Vos)：根據(jù)信號最小值，來決定，通常取最小信號值的二分之一以內(nèi)。例如，最小信號值是1mV，那就需要盡量選擇Vos在0.5mV以內(nèi)的。所有的運放都會給出該參數(shù)。著重看最大值，而不是典型值。

　　- 溫漂：看產(chǎn)品輸出地點，環(huán)境溫度可能不同。

　　- 輸入失調(diào)電流：如果傳感器帶載能力很差，即輸出阻抗很高，輸出電流小。對運放的輸出失調(diào)電流就有要求了，要求輸入運放的電流小，這樣對原信號的分壓就小。

　　- 耗電要求

　　- 工作電壓范圍

　　- 輸入輸出特性： 是否軌對軌的?還是非軌對軌。

　　交流信號

　　-交流信號的具體特性

　　-增益帶寬：待處理信號頻率X放大倍數(shù) X系數(shù)(一般取5-10)<=運放帶寬

　　-開關(guān)增益

　　-電壓噪聲密度

　　-耗電要求

　　-工作電壓

　　-輸入輸出特性