运算放大器简称运放,是电子工程师经常遇到的器件,电路中用来对模拟信号进行适当的调理以便后继单元处理。准确理解运放的常见参数和正确选用合适的运放是对硬件工程师最基本的要求。本文介绍了运放的常见参数,并以工采网代理的国产品牌Ruimeng TECHNOLOGY推出的低噪声运算放大器 - MS8312为例对各项参数作简单解释。
集成运放的参数较多,其中主要参数分为直流指标和交流指标。在讲解交直流指标之前先看一下所有芯片都涉及的极限参数。
1、低噪声运算放大器极限参数:
主要用于确定运放电源供电的设计(提供多少V电压、最大电流不能超过多少)。
MS8312的极限参数如下:
2、直流指标
运放主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂)、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。MS8312的直流指标如下:
(1)输入失调电压Vos
输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时,两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标,特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系,其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入失调电压在±1～10mV之间;采用场效应管做输入级的,输入失调电压会更大一些。对于精密运放,输入失调电压一般在1mV以下。输入失调电压越小,直流放大时中间零点偏移越小,越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。
(2)输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)ΔVos/ΔT
输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内,输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充,便于计算在给定的工作范围内,放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10～20μV/℃之间,精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。
(3)输入偏置电流Ios
输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时,其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系,其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入偏置电流在±10nA～1μA之间;采用场效应管做输入级的,输入偏置电流一般低于1nA。
(4)输入失调电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂)ΔIos/ΔT
输入失调电流的温度漂移与输入失调电压的温度漂移一样,这个参数实际是输入失调电流的补充,便于计算在给定的工作范围内,放大电路由于温度变化造成的失调电流漂移大小。
(5)最大共模输入电压Vcm
最大共模输入电压定义为,当运放工作于线性区时,在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围,在有干扰的情况下,需要在电路设计中注意这个问题。
(6)共模抑制比CMRR
共模抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放差模增益与共模增益的比值。共模抑制比是一个极为重要的指标,它能够抑制差模输入中的共模干扰信号。由于共模抑制比很大,大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多,用数值直接表示不方便比较,所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80～120dB之间。
(7)电源电压抑制比PSRR
电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放输入失调电压随电源电压的变化比值。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。对于电源电压抑制比低的运放,运放的电源需要作认真细致的处理, 否则电源的纹波会引入到输出端。当然,共模抑制比高的运放,能够补偿一部分电源电压抑制比,另外在使用双电源供电时,正负电源的电源电压抑制比可能不相同。
(8)输出峰-峰值电压Vout
输出峰-峰值电压定义为,当运放工作于线性区时,在指定的负载下,运放在当前大电源电压供电时,运放能够输出的最大电压幅度。除低压运放外,一般运放的输出输出峰-峰值电压大于±10V。一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压,这是由于输出级设计造成的,现代部分低压运放的输出级做了特殊处理,使得在10kΩ负载时,输出峰-峰值电压接近到电源电压的50mV以内,所以称为满幅输出运放,又称为轨到轨(raid-to-raid)运放。需要注意的是,运放的输出峰-峰值电压与负载有关,负载不同,输出峰-峰值电压也不同;运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用,输出峰- 峰值电压越接近电源电压越好,这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压,而且成本较高。
(9)输入阻抗Rin
输入阻抗反映输入对运放性能的影响,选择运放时输入阻抗越大越好。
3、交流指标
运放主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。
(1)输出阻抗Rout
输出阻抗反映运放输出端带负载能力,越小越好。
(2)单位增益带宽GB(MS8312中使用增益带宽积GBW衡量)
单位增益带宽定义为,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db(或是相当于运放输入信号的0．707)所对应的信号频率。
单位增益带宽是一个很重要的指标,对于正弦小信号放大时,单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积,换句话说,就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后,可以计算出单位增益带宽,用以选择合适的运放。这项参数用于小信号处理中运放选型。
(3)压摆率(转换速率)SR
运放接成闭环条件下,将一个大信号(含阶跃信号)输入到运放的输入端,从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间,运放的输入级处于开关状态,所以运放的反馈回路不起作用,也就是转换速率与闭环增益无关。
转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标,对于一般运放转换速率SR<=10V/μs,高速运放的转换速率SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率SR达到6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。
不难看出在上述的MS8312的参数当中,带宽、SR、输入失调电压以及噪声系数都是相对很优秀的参数指标,所以MS8312既能作为通用性的轨到轨运放类似LMV358的功能,又有部分中高精度运放的直流特性参数,最低能到65uV的失调,再则MS8312也有出色的低噪声高带宽的性能,能够胜任低噪声运放。正因为MS8312全面的综合能力,也让它成为适用性广,参数指标优秀的综合型运算放大器。
