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？
　　“就是一堆晶体管”

　　- 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。
　　- 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。
. N0 h4 d2 |) ^. K1 b. h7 N, X　　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。
4 |! Q% b* R9 Y, K1 k! ?　　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。
5 b! _( x" s, [　　Q2:OPA常用封装有哪些？
5 d% y) w- j2 l$ [, f# U4 v　　常见1/2/4路，常用封装基本都兼容。
) \6 l" [! U# D8 N7 [　　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。
　　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。
　　Q3：OPA都有哪些作用？
　　放大小信号（或缩小大信号）
: T: h& M$ {0 @+ ?7 ]$ V　　阻抗匹配
8 q8 {1 V9 z, r" C) u4 I　　信号隔离：例如跟随放大器
0 G) b+ ]  O9 [7 N　　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。
　　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。
! V( _9 K! K* a　　-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
　　做小功率电源
3 {) j5 n3 ~) {　　-一般运放输出20-30mA，跟I/O口差不多。
　　-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。
) n" O6 t5 E# }" g" `　　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？
　　- DCDC都不可以，最好尽量是LDO，最次也得7805。
. B" V9 p0 o4 a) z( |　　Q5：OPA都有哪些类型？
　　超低功耗运放（Nano Power OPA）：几百nA
& m1 X3 e# l; n! C　　低功耗运放（Micro Power OPA）：
　　高速运放（High Speed OPA）：重点两个参数：增益带宽积（GBP）和压摆率（SR）
! W0 W/ t; E  m! f8 m, h6 N　　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
! L* `  y9 i: R# @0 ~! a　　低噪声运放（Low Noise OPA）：常用于脑电波，心率，脉搏等小信号采集
+ N5 O, A0 i( Q* }9 W. l, L) _　　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。）
! E: X+ \5 b1 t$ Q- Y' N" g　　功率放大器（Power OPA）：功放驱动
　　音频放大器（Audio OPA）：
　　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。
　　其他专用型放大器
5 z. W* S5 g9 r6 H; ?　　Q6：OPA常用的参数有哪些？
　　输入失调电压（Input Offset Voltage） Vos
1 E8 g0 X& Z" B3 B* Z+ P　　输入失调电压的温漂（Offset Voltage Drift）：对Vos的补充
* @- N! F, ^6 {( z+ z; `+ {) w, |　　输入偏执电流（Input Bias Current）IB：
　　输入失调电流（Input Offset Current）Ios：是IB的补充
& o1 N( y! w: p8 F　　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。
% ^3 @$ A( L$ O& |- B) l　　输出特性（Output Characteristic）
% g  J4 J' `6 `2 ]3 m& @　　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。
　　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。
　　ESD和浪涌的区别。
& Y7 B* {% C& s　　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。
9 w4 R" w( b$ v; u　　工作电压范围 VDD
7 T+ N2 a9 E5 T/ c5 P) P　　静态工作电流（Quiescent Current）Iq
/ D4 D4 G- M) u7 v' ^! u: I　　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。
　　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。
' r- V7 b! G  U- B! O　　Q7：三极管放大能代替运放放大吗？
　　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。
5 p1 N% M" L9 ^0 |) G4 V2 g　　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。
" y& o- c3 o- L. q% R　　Q8：什么是轨至轨运放？
　　轨（Rail）指的是供电电压
$ p/ x5 |2 u# M6 i2 T　　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。
1 H- P" m! j, W& {　　Q9：运放可以用作比较器么？
　　Yes：
　　大部分运放是可以再开环下工作的
　　No：
! d( L' U  b7 S6 ]/ {3 Y' d! l　　-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。
9 \& e" B$ |+ z# B/ L　　（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。

/ H$ o8 E# k+ Y, F* ?2 t2 `# i. V& u% D　　- 输出无法真正到轨
+ ^( {9 t# x1 d. ], o  J& p　　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。
/ y6 p0 Z$ u; u- D　　- 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
　　Q10：怎样选择合适的运放？
6 |( D6 E; |7 b5 l! j! [) c　　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。
# a/ T6 {5 t) a6 }2 s; a" Q　　- 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
. ]  t2 l' ~% n9 X　　- 工作电压范围
　　- 输入输出特性： 是否轨对轨的？还是非轨对轨。
; l+ e+ s+ `. L' }  G* O　　交流信号
5 y+ F% Q8 e9 X. d- `. A1 S　　-交流信号的具体特性
. _: ]3 Q' {# J1 t7 r# N$ f% H% R, }　　-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
2 N6 D! L( l. ]5 N8 r　　-开关增益
　　-电压噪声密度
　　-耗电要求
　　-工作电压
　　-输入输出特性

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