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运算放大器的选择




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  在众多系统的“模拟连接”电路中,运算放大器都是不可或缺的元件。尽管种类和数量繁多,但设计师在选择运算放大器时,往往关注几个基本门类中的一种以缩小选择范围,但这几类运算放大器的一些假象和误区将导致次优的选择。

  微功耗

微功耗

  随着电池供电设备的激增,静态电流仅1μA(或更低)的低功耗运算放大器变得日益普及。通过研究放大器级的总静态电流可知:为了保持低消耗电流,必须选择具有兆欧(MΩ)级阻值的反馈网络电阻器,这有可能影响放大级的噪声和准确度指标。放大器负载电流也会使总消耗电流有所增加。

  不仅如此,这些超低供电电流放大器的运算速度一般都非常慢(低带宽),因此适合于速度较慢的信号。设计师应该牢记的是,由于其功耗很低,所以输出电流受到限制,从而导致其容性负载驱动能力下降。最后(但并非最不重要)的一点是,用户应当了解,极低功耗运算放大器的噪声电平较高,因而极大地限制了其在高精度应用中的推广使用。

  实现极低功耗的另一个办法是采用启动(停机)功能来开启和关断放大器。最终的极低功耗解决方案同时需要低功耗和停机功能,才能实现数年的连续工作。

  带宽

  在系统设计的许多方面进

行速度和功耗的权衡折衷是非常普遍的,其中就包括运算放大器的选择。一般来讲,为了获得较大的带宽,就需要消耗更多的功率。然而,在现有的运算放大器当中,在一个给定的静态电流条件下,可获得的带宽却存在着显著的差异。

  在速度/功耗比值的优化方面,有些运算放大器明显占优,但却隐含了一些折中和妥协。对于容性负载和数据转换器所施加的令人捉摸不定的负载,速度/功耗比的改善可能降低运放的驱动能力。

  设计师增加速度/功耗比的方法之一是采用所谓“去补偿”运算放大器设计。去补偿的类型可通过“最小稳定增益”规格或诸如“如果G>3”等描述来区分。

  在处于(或高于)其额定最小闭环增益的电路中使用时,这些类型的运算放大器会有明显的优势。必须稍加留意的是,在高频条件下,采用一个旨在实现受控带宽滚降的反馈电容实际上将把运算放大器置于单位增益状态,并有可能导致不稳定。

  采用去补偿运算放大器时,诸如滤波器或那些采用罕见反馈网络的特殊电路有可能并不稳定。如果感到怀疑,可检查一下电路对某个脉冲的响应。振铃过大或许意味着采用一个标准的单位增益运算放大器可能是一种更好的选择。

  轨至轨运算放大器

  在选择运算放大器时,设计师常常要求其具有轨至轨能力。这似乎是一种显而易见的选择,因为许多应用都得益于最大信号摆幅。但可能并不需要真正的轨至轨运算放大器,而且在应用中甚至还会有不利的一面。

  轨至轨意味着运算放大器具有轨至轨输入和轨至轨输出能力。轨至轨输出只是一个相对术语,因为目前尚无定义该术语的业界标准。视负载条件的不同,轨至轨输出放大器可以在与电源轨相差数毫伏至数百毫伏的范围内摆动。

  某些用于更高工作电压的运算放大器,如果其输出摆幅与电源轨相差不超过1V,也会被称为轨至轨输出。应查看器件数据表“大字标题”以外的数字,以便将输出摆幅与您的负载条件结合起来考虑。

  而且应该了解这样一点,就是各家制造商所采用的测试方法是不尽相同的。有些制造商采用“冲击测试”(slam test)来测量输出摆幅;为了获得最大输出,需对运算放大器进行过驱动。

  当对输出进行输出摆幅测试时,用于精密信号处理的运算放大器将确保获得良好的开环增益,确保可以输出接近电源轨的准确的无失真信号。

  轨至轨输入意味着输入信号可以位于电源电压之间的任何电平上(通常为100mV或更高)。如果需要宽输出电压摆幅,则在一个增益为1的缓冲器配置中就要求具有轨至轨输入。当闭环增益大于1时,可以不要求轨至轨输入。反相放大器很少需要轨至轨输入。

  低电压操作问题

  低电压操作至今仍然是另一个潜在的难以满足的要求。信号摆动电压变得至关重要,因为每一毫伏电压都要计算在内。对非轨至轨型运算放大器必须进行非常仔细的检查,原因是用户的操作空间很小。共模电压范围和输出摆幅可能会因元件的不同以及温度的变化而存在差异。

  精度

  精度是一项常见的设计要求。除了失调电压之外,一定要考虑失调电压的温度变化。低失调电压可借助激光或其他修正技术来实现,以获得低初始失调。如果想完成一项耐用的设计,则应对总失调误差随温度的变化情况加以考虑。由于运算放大器的漂移以及所需的温度范围各不相同,更低的初始失调可能有助于提高精度,也可能不起作用。

  采用双极型输入晶体管的运算放大器通常能够提供较好的失调电压和漂移特性。具有低初始失调的修正器件往往也具有较低的漂移。尽管器件的数据表有时并未提供所使用的晶体管工艺的相关信息,但仍然能够从其较大的输入偏置电流(一般为1nA或更大)识别出双极型晶体管。CMOS型晶体管的输入偏置电流为几十皮安。

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