偏置電壓和輸入偏置電流
注意電源的影響
音頻和視頻應(yīng)用中的噪聲/相位誤差
注意避免一些常見的錯誤
Spice輔助設(shè)計

要選擇一個好的運(yùn)算放大器，首先須了解設(shè)計對放大器的要求。知道在參數(shù)表中要查找什么，了解運(yùn)算放大器的制造工藝也有助于選擇適合設(shè)計要求的運(yùn)算放大器。

假設(shè)有一種完美的放大器，適用于任何電路設(shè)計。這種完美的運(yùn)算放大器具有無限大的開環(huán)增益和帶寬，其偏置電壓、輸入偏置電流、輸入噪聲和電源電流都為零，它能夠在任意電源電壓下工作。既然它是真正完美的，那也應(yīng)該是的。但這種完美的運(yùn)算放大器實(shí)際上根本不存在，也不可能存在。于是銷售商就提供了各種各樣的運(yùn)算放大器，每種都有各自不同的性能、特點(diǎn)和價格。了解放大器的重要的參數(shù)，就能夠找到合適的運(yùn)算放大器。

偏置電壓和輸入偏置電流

在精密電路設(shè)計中，偏置電壓是一個關(guān)鍵因素。對于那些經(jīng)常被忽視的參數(shù)，諸如隨溫度而變化的偏置電壓漂移和電壓噪聲等，也必須測定。的放大器要求偏置電壓的漂移小于200μV和輸入電壓噪聲低于６nV/√Hz。隨溫度變化的偏置電壓漂移要求小于1μV/℃ 。

低偏置電壓的指標(biāo)在高增益電路設(shè)計中很重要，因?yàn)槠秒妷航?jīng)過放大可能引起大電壓輸出，并會占據(jù)輸出擺幅的一大部分。溫度感應(yīng)和張力測量電路便是利用精密放大器的應(yīng)用實(shí)例。

低輸入偏置電流有時是必需的。光接收機(jī)中的放大器就必須具有低偏置電壓和低輸入偏置電流。圖１所示為一種典型的結(jié)構(gòu)。光電二極管的泄漏電流小于５nA，所以放大器必須具有更小的輸入偏置電流。CMOS和JFET輸入放大器是目前可用的具有輸入偏置電流的運(yùn)算放大器。

在所有放大器中，斬波放大器提供了的偏置電壓和的隨溫度變化的偏置電壓漂移。許多重量計量設(shè)備對增益的要求高，需要配置高質(zhì)量的精密放大器，此時斬波放大器是一種很好的選擇。

注意電源的影響

便攜式系統(tǒng)中的放大器要求在很低的電源電壓下工作，且電源電流應(yīng)很小以盡量延長電池壽命。這些放大器一般還須有良好的輸出驅(qū)動能力和高開環(huán)增益。

盡管許多放大器的廣告號稱消耗很小的電流，但在選用時仍應(yīng)小心。一定要認(rèn)真閱讀參數(shù)表以留心低電壓下工作可能引起的性能問題。有些低功耗運(yùn)算放大器，當(dāng)輸出電壓改變時其電源電流具有較寬的變化范圍。在低電源電壓下，輸出電流驅(qū)動能力也可能顯著下降?？刹殚唴?shù)表以確定在特定的電源電壓下所能達(dá)到的輸出電流驅(qū)動能力。

另一種選擇是使用具有“關(guān)閉”特性的放大器。雖然這種放大器具有較高的電源電流，但當(dāng)不工作時能被關(guān)閉從而進(jìn)入超低電流狀態(tài)。較高的電源電流可使放大器具有較快的速度和很大的輸出驅(qū)動能力。

音頻和視頻應(yīng)用中的噪聲/相位誤差

在音頻應(yīng)用中，運(yùn)算放大器主要有兩個作用：麥克風(fēng)放大、耳機(jī)或揚(yáng)聲器輸出。這種音頻I/O組合在大多數(shù)蜂窩電話、計算機(jī)、電視和家庭立體聲設(shè)備中應(yīng)用普遍。圖2示出了一種典型的PC音頻系統(tǒng)配置。

對麥克風(fēng)放大器的噪聲要求很高，這是因?yàn)?B style="COLOR: black; BACKGROUND-COLOR: #ffff66">放大器能提供20dB到40dB的增益，它既能放大麥克風(fēng)的信號，也能放大任何來自運(yùn)放的噪聲。耳機(jī)和揚(yáng)聲器放大器必須能輸出大電流，因?yàn)榇蠖鄶?shù)耳機(jī)的阻抗在100歐姆或更小，大多數(shù)揚(yáng)聲器的阻抗是8 歐姆。

近年來半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了快速放大器的出現(xiàn)。這些新的放大器使得設(shè)計者可以用高速運(yùn)放代替分立電路。視頻應(yīng)用電路即是一個很好的例子。

許多視頻應(yīng)用要求增益特性的相位誤差。相位誤差可導(dǎo)致色彩偏離和視覺失真。高速放大器在保持低相位誤差的同時，仍能獲得所要求的增益。大多數(shù)高速運(yùn)算放大器的參數(shù)表都給出了相位誤差，應(yīng)該把各種運(yùn)算放大器的相位誤差做一個比較。

電流反饋放大器是現(xiàn)有的速度的放大器之一。由于這種放大器與電壓反饋放大器的工作方式不同，務(wù)必閱讀參數(shù)表中的應(yīng)用說明以獲得效果。

注意避免一些常見的錯誤

運(yùn)算放大器參數(shù)表包含許多信息，但有時可能很難通過比較兩個參數(shù)表來確定哪種運(yùn)放性能更優(yōu)。輸入共模電壓范圍指標(biāo)即是一個例子。這個參數(shù)常被誤用。

為確保正常工作，要注意共模抑制比(CMRR)的測試條件。給出的測試條件表示共模輸入電壓范圍。軌-軌輸入放大器的共模輸入電壓范圍是從負(fù)電源(V-)到正電源(V+)。

與輸入電壓范圍不同，運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅并沒有清晰的定義。大多數(shù)單電源放大器參數(shù)表都給出了針對高、低兩種輸出擺幅下的電壓指標(biāo)。它表示當(dāng)放大器吸入和泵出電流時，放大器的輸出擺幅接近正電源和地的能力?？上У氖?，一般無法根據(jù)不同廠商的參數(shù)表對這些數(shù)值進(jìn)行直接比較，因?yàn)椴煌墓?yīng)商會以不同的方式定義輸出負(fù)載。 關(guān)鍵要看負(fù)載是電阻還是電流源。如果負(fù)載是電流源，那么可測量相似的負(fù)載電流，這樣就能很容易地比較不同放大器間的輸出電壓擺幅。若負(fù)載是電阻，則要判斷該電阻是與電源電壓Vcc相連，還是與參考電壓Vcc/2相連，或是接地。 負(fù)載連接到Vcc/2將使放大器的輸出級可以泵出和吸入電流，但放大器的輸出電流相當(dāng)于負(fù)載接地或接到正電源情況下的一半。這種輸出電流的差別可使得運(yùn)算放大器的擺幅接近正負(fù)電源的值。這在某種程度上可能誤導(dǎo)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)單電源直流應(yīng)用電路設(shè)計中，負(fù)載都直接接地，放大器輸出的擺幅達(dá)不到正電源的值。

電容驅(qū)動能力是一個在參數(shù)表中經(jīng)常定義含糊的參數(shù)。所有的放大器對容性負(fù)載的靈敏度有不同程度的差別。一些低功耗放大器相對于僅僅幾百個皮法的容性負(fù)載就可能變得不穩(wěn)定。因此，這些放大器的參數(shù)表可能會隱藏這個事實(shí)。

要確定放大器對于輸出電容的靈敏度，可以通過相對于容性負(fù)載的過沖（overshoot）曲線圖來決定。另一個較好的示意圖是小信號響應(yīng)圖，可用來觀測過沖的程度和特定容性負(fù)載的下降時間。某些參數(shù)表還提供了相對容性負(fù)載的增益-帶寬示意圖。

減小過沖和阻尼振蕩的一個方法就是在輸出負(fù)載上并聯(lián)一個串聯(lián)R-C網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)來確定這個網(wǎng)絡(luò)(也稱阻尼電路)的值。也能在器件的應(yīng)用說明中找到減小過沖和阻尼振蕩的其它方法。

CMOS與雙極型工藝技術(shù)的比較十年來，放大器工藝技術(shù)已取得了很大發(fā)展。了解不同工藝方法的優(yōu)點(diǎn)有助于運(yùn)算放大器的選擇。CMOS和互補(bǔ)雙極型是兩種為流行的放大器工藝技術(shù)。

CMOS放大器工藝進(jìn)展較快。幾年以前只有幾家公司能提供采用CMOS工藝的低成本、低性能放大器。今天，大多數(shù)廠商都能供應(yīng)參數(shù)齊全、性能優(yōu)良的CMOS放大器。但偏置電壓漂移和速度仍是兩個較薄弱的環(huán)節(jié)。對于所選器件，帶寬低于10MHz時，偏置電壓漂移應(yīng)限制在略低于1mV。

CMOS工藝的主要優(yōu)勢在于價格，起初是想用于大批量生產(chǎn)的數(shù)字產(chǎn)品，這種工藝有助于降低中等性能的放大器價格。CMOS工藝提供的技術(shù)優(yōu)勢是運(yùn)算放大器的輸入偏置電流特別小，在皮安培（pA）級。這對于高電源阻抗的應(yīng)用特別重要，例如光接收機(jī)中的光電二極管放大器，或耗電盡可能小的電池監(jiān)測器。

或許CMOS放大器的主要局限是其和電源電壓。由于其幾何形狀較小，晶體管擊穿電壓也減小了。大多數(shù)CMOS放大器必須在6V或更低的電壓下工作。對多數(shù)低功耗應(yīng)用來說，這不成問題，但某些便攜式應(yīng)用卻是例外。一個例子就是電池監(jiān)視，電池電源電壓變化很大，可以從滿充狀態(tài)的5V到接近耗盡時的2.2V。然而，若電池連接到充電器上，電源電壓有可能增加到12V。

雙極型工藝通常允許較高的電源電壓。由于雙極型晶體管的寬動態(tài)范圍，其工作電壓容易做到比CMOS放大器更低。在低功耗、低漂移、噪聲和速度等方面，雙極型工藝都很出色，所以它不僅是一種大有發(fā)展前途的工藝，還是一種能滿足各種性能放大器要求的工藝。

也有將兩種工藝結(jié)合到一起的工藝技術(shù)，如互補(bǔ)雙極互補(bǔ)CMOS(CBCMOS)。這種“混合” 工藝技術(shù)的構(gòu)想是將每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)都集中到運(yùn)算放大器上。例如，ADI的OP186就采用了一個雙極型輸入級來將噪聲和漂移減至，同時在輸出級采用CMOS晶體管來改善輸出驅(qū)動性能而無需增加器件尺寸。

在低電壓下工作且具有良好性能的運(yùn)算放大器，仍將主要采用雙極型工藝。在主要考慮成本因素的場合，可以采用CMOS工藝。在成本不變的情況下，性能將持續(xù)不斷地提高。隨著工藝技術(shù)的改進(jìn)，CMOS的速度將逐漸提高，其也將通過工藝和電路技術(shù)的改進(jìn)而提高。

Spice輔助設(shè)計

選定所需要的運(yùn)算放大器以后，能在計算機(jī)上利用Spice仿真器來模擬電路的設(shè)計。這樣可在電路制做出來之前驗(yàn)證設(shè)計的正確性。多數(shù)廠商都提供其運(yùn)放產(chǎn)品的Spice宏模型，可準(zhǔn)確反映運(yùn)算放大器的參數(shù)表中幾種指標(biāo)的特性。這些模型也可從廠商的Web站點(diǎn)。當(dāng)然，計算機(jī)仿真并不能保證電路設(shè)計的成功，但它能快速地反映出設(shè)計結(jié)果的性能優(yōu)良程度。

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