大神带你实战运算放大器设计

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大神带你实战运算放大器设计

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　　本文主要讲了一下关于运算放大器设计的一些知识，希望对你的学习有所帮助。
　　Q1：OPA内部是怎样构成的？
6 C. s* I1 b6 l# H4 I　　“就是一堆晶体管”

8 z1 n) H: S+ Z" A) o　　- 包含输入级，中间放大级和输出级。基于应用的话，不用特别关注内部的结构。
: I  I; h+ e; w3 y4 O$ A7 H: ?　　- 同相端和反相端输入地方有等效二极管，就是所谓的ESD保护。一般运放内部都会做。输出端也有。但是因为做在芯片内部，所以能力有限，即最大通过瞬间电流有限。
; \/ \4 G4 K5 t　　提示：芯片级的ESD等级和产品级的ESD等级完全是两码事，遵循的不是一个规范。
　　芯片规格书上，ESD指标虽然写着2kV ，应用到实际产品上，如果打2kV静电上去，是无法承受的。产品ESD遵循的是IEC61340的标准。所以，设计过程中，想要通过选择自身ESD高的芯片去防止浪涌，是不可取的。
# J' L/ ?0 p, ~　　所以一般芯片，用静电枪直接打管脚，能承受400v静电的已经算顶尖芯片了。有的芯片会直接标机器模式，通常就是400v和200v这样的值了。
/ q( k6 h+ Y9 v( e& y; n- `　　Q2:OPA常用封装有哪些？
) h: I0 V& }7 H# Y" A+ L5 z　　常见1/2/4路，常用封装基本都兼容。
& U) W/ m1 @5 W8 o4 K8 D7 s　　小提示：设计时候尽量选通用封装，否则很容易是Single Source（独一物料，市面上没有兼容的），结果就是被供应商绑架。
7 G  h7 E1 g; N+ a) C  q% a2 X　　日系的很多封装尺寸很怪异。跟欧美系的很多封装不一样。所以选日系芯片的时候，留个心眼，一不小心，就是single source了。
; B  c2 f) g& v　　Q3：OPA都有哪些作用？
　　放大小信号（或缩小大信号）
$ n5 {7 m; F! n/ N% E, U+ ?; v- X　　阻抗匹配
　　信号隔离：例如跟随放大器
　　滤波（低通，高通，带通滤波等）：一阶滤波用的比较多，提示，网上小工具可以用来计算参数。
* A, y5 _" |. e　　驱动：可以驱动音响，驱动视频设备伽马线，这些应用都要求瞬间输出电流很大。
6 }( c' v: l4 m# q5 H7 t7 l　　-运放驱动长线：线约长，分布电容越大，运放驱动容性负载，会产生震荡
+ d. A+ |+ b4 s' ?# u# J1 _1 d# m　　做小功率电源
- r9 u5 I# g* G* U　　-一般运放输出20-30mA，跟I/O口差不多。
5 [! R2 o) o, i  d- {% I3 W4 i　　-有些特殊运放能够输出1-2A比较大电流的，可以当做小功率电源用，很干净。但是不能做基准源，因为精度不够。
　　Q4：OPA怎样供电？
　　- 引用业内资深专家：如果一个运放都不舍得用LDO供电，还指望谈稳定性？
; q. }% C% I6 e5 r( m　　- DCDC都不可以，最好尽量是LDO，最次也得7805。
, F* k) n/ s3 @9 q　　Q5：OPA都有哪些类型？
" E8 ]7 q) N* b- i7 q　　超低功耗运放（Nano Power OPA）：几百nA
! L/ v  e4 c9 C4 i! V　　低功耗运放（Micro Power OPA）：
/ e# F. A/ W. \6 Y8 M　　高速运放（High Speed OPA）：重点两个参数：增益带宽积（GBP）和压摆率（SR）
) {# p" ^' C) g0 \0 K+ D) y4 g　　高精度运放（High Precision OPA）：重点两个参数：Vos失调电压（低于采样电压的一半），温漂
9 [$ i% v8 q0 o+ C　　低噪声运放（Low Noise OPA）：常用于脑电波，心率，脉搏等小信号采集
# V6 ^0 O5 u& E- r/ v　　差分放大器（Fully Differential OPA）：输入共模抑制比足够大（有人拿高精度运放当做差分放大器，为了节省成本，但是效果不行。）
　　功率放大器（Power OPA）：功放驱动
　　音频放大器（Audio OPA）：
( Y7 n4 F, f. E5 O- \2 [/ a9 E9 B　　仪表放大器（Instrumentation OPA）：共模抑制比很高。配合专门电路，能够有效去除共模干扰。
  o3 Z: b4 e  z( f; ~　　其他专用型放大器
　　Q6：OPA常用的参数有哪些？
　　输入失调电压（Input Offset Voltage） Vos
　　输入失调电压的温漂（Offset Voltage Drift）：对Vos的补充
　　输入偏执电流（Input Bias Current）IB：
7 e2 o' J$ N7 b, K0 X2 `　　输入失调电流（Input Offset Current）Ios：是IB的补充
2 X7 X' R! O2 K4 {2 G4 g　　共模电压输入范围（Input Common-Mode Voltage Range）Vcm：运放在某个供电下，同相端和反相端给到的最大信号范围。
　　输出特性（Output Characteristic）
( m! o0 K) O3 t8 N0 D　　输出电流限制（Output Current Limit）：关注这个参数，主要因为，有些应用要求输出电流尽量大，比如输出线很长（跳线连接两个系统）或者 负载输入阻抗很小。
: y/ ]; @& |. q& e! ^8 A0 _; x4 Q　　小提示：如果用长线链接两个系统，输出要串个电阻：1）来限流。2）防止热插拔瞬间的浪涌。
; F  n3 x) \/ h0 r8 a$ L6 R& \) r　　ESD和浪涌的区别。
　　1） 浪涌持续的是毫秒级，ESD静电只持续微秒或者纳秒级别。
　　2） 浪涌一般示波器可以抓下来。ESD静电一般示波器是看不到的。
, b3 _5 J8 H, w2 @4 _; r　　工作电压范围 VDD
　　静态工作电流（Quiescent Current）Iq
　　增益带宽积（Gain Bandwidth Product）GBP：对交流信号非常重要 ，直流信号可以不用关注太多。
: [' Y: e( p! ?4 S, x* D& ?* O　　压摆率（Slew Rate）SR：GBP大，意味着SR大；SR值用来反映跳变沿快慢的。
　　开环增益（Open-Loop Voltage Gain）Aol：常见120db;这个值越大，留给设计放大倍数的余量越大。也是交流特性，跟频率密切相关。
　　电压噪声密度（Voltage Noise Density）en：
　　相位裕度（Phase Margin）：越大越好，越稳定
　　共模信号抑制比（Common Mode Rejection）：反映了对共模干扰信号的抑制能力，值越大越好。
　　电源纹波抑制比（Supply Voltage Rejection）：反映了对供电端噪声的抑制能力，值越大越好。
) i9 `0 v* l- ?6 Y! d; H+ R  e　　Q7：三极管放大能代替运放放大吗？
' O  C1 J1 {: v3 [/ Q- F# r8 q# n　　Yes：运放内部本身就是一堆晶体管的集成，音乐发烧友所推崇的所谓“胆机”，很多就是用分立的晶体管、电子管所设计。
  A! A3 Z! K, D1 c3 ^　　No：但是三极管参数一致性差，放大电路批量生产良率低，需要微调参数，生产工艺麻烦。
# x3 y6 Z; y5 {8 I2 u( }　　Q8：什么是轨至轨运放？
; J3 h, `- c# H, ?. y　　轨（Rail）指的是供电电压
2 {9 P4 r4 F" n! D/ b　　共模输入电压（Common Mode Input Voltage）范围“包含（超过一点）”供电电压，即所谓轨至轨输入。
　　输出电压范围“包含（几乎达到）”供电电压，即所谓轨至轨输出。
3 S' P& D1 u& O0 B6 {1 z" f　　Q9：运放可以用作比较器么？
　　Yes：
4 @/ K+ C6 g" g( r' V　　大部分运放是可以再开环下工作的
　　No：
　　-有一些运放的同相输入与反相输入之间有嵌位二极管（差分二极管保护），用作比较器时（压差超过0.7v）会导致其中一个嵌位二极管导通，（如果源输入阻抗很低，可以供的电流很大）从而有大电流流过，甚至烧坏芯片。
5 n  D+ b0 I% J. i( p　　（看差模输入电压范围，这个参数大，说明没有嵌位二极管。可以用。）
　　-反应速度慢，即使高速运放，也不够快。
　　-稳定性不佳，过载饱和时恢复时间长。

　　- 输出无法真正到轨
　　输入级由于补偿电路作用，可以超过供电轨，但是输出级由于晶体管的导通内阻，无法真正到轨，会有几mV~几十mV的差距。
　　- 输出误差和带负载阻抗相关：负载大，输出小，负载很重，输出到电源轨的差距就很大
: K& U  d0 S5 X7 E. O　　Q10：怎样选择合适的运放？
) o# r* I% S- Z1 _　　直流信号：
　　- 确定信号具体特性：信号范围，精度。确定好这些参数，甚至就可以直接联系FAE来帮助选型。
　　- 输入失调电压（Vos）：根据信号最小值，来决定，通常取最小信号值的二分之一以内。例如，最小信号值是1mV，那就需要尽量选择Vos在0.5mV以内的。所有的运放都会给出该参数。着重看最大值，而不是典型值。
$ K: W5 s( @6 `  s  q: p+ L　　- 温漂：看产品输出地点，环境温度可能不同。
　　- 输入失调电流：如果传感器带载能力很差，即输出阻抗很高，输出电流小。对运放的输出失调电流就有要求了，要求输入运放的电流小，这样对原信号的分压就小。
　　- 耗电要求
. a6 j  ?3 J4 P- G  K& @; H& O　　- 工作电压范围
　　- 输入输出特性： 是否轨对轨的？还是非轨对轨。
6 }& }& i; W; r4 V1 e. Y+ a　　交流信号
　　-交流信号的具体特性
# G( H& N9 K0 G* P5 y* Y4 z　　-增益带宽：待处理信号频率X放大倍数 X系数（一般取5-10）<=运放带宽
　　-开关增益
　　-电压噪声密度
　　-耗电要求
. H3 _" X$ w# C% ^+ _　　-工作电压
& u0 E3 R! {2 l8 y5 H　　-输入输出特性

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