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    這里有你不知道的運放參數玩法,你學廢了嗎?

     六云ocbohngfbq 2022-07-30 發布于廣東
    今天,我們學習一下運放的幾個參數分析。

    一、輸入失調電壓

    輸入失調電壓定義:在室溫25℃及標準電源電壓下,輸入電壓為0時,為使輸出電壓為0,在輸入端加的補償電壓叫做失調電壓。

    在理想的情況下,一般認為當運放的兩個輸入端輸入相同的電壓時,比如輸入電壓均為0,運放的輸出端電壓為0;但實則不然,因為實際上它的差分輸入級很難做到完全對稱,常在輸入電壓為0時,存在一定的輸出電壓,大概幾個微伏或者幾個毫伏,不同運放的性能不同,輸入失調電壓也不一樣。

    下圖是LMV358運放失調電壓的測試:

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    因為運放的失調電壓通常比較小,所以我們接了一個比較大反饋電壓,放大倍數為1001倍。因為我們可以看到,在運放的負輸入端,電壓為4.83mV,因此LMV358所測是的失調電壓為4.83mV。

    接下來,看一下LMV358數據手冊:

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    典型的失調電壓為0.5mV,最大是±5mV,我們測試結果還在范圍內,但是已經比較大了。所以,大家在選擇芯片時應考慮運放的輸入失調電壓,避免誤差造成的影響。

    下圖是OPA2350輸入失調電壓仿真:

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    從圖中可以看出,OPA2350作為高精度運放,它的輸入失調電壓很小。

    二、輸入失調電流

    由于輸入失調電流會造成輸入失調電壓變大,因此反饋電阻要小一點,避免反饋電阻過大引起測得的失調電壓偏大。

    此外,失調電壓是直流量。

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    運放的輸入一般是基于三極管或者FET結構的長尾式差分輸入,對于BJT來說,由于三極管工作在放大區是需要提供一定的偏置電流的,因此需要提供輸入電流,一般有nA到uA級別;

    對于FET來說,由于場效應管本身是壓控型器件,可還是存在一定的漏電流,不過電流非常小,一般是fA或者pA級別。但有時候為了ESD,還會增加鉗位二極管,從而更加增大了這個漏電流大小。

    測試運放的失調電流時,要減少輸入失調電壓對它的影響,因此要將運放的增益變得很小。這里我們選擇的電阻為R2為1G歐姆,R3為1M歐姆,這樣運放輸出增益就接近1/1000倍,對失調電流產生的影響就很小。

    下圖為LMV358的失調電流,為-5.63pa。

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    這與數據手冊中所說的10pa接近。

    不同的運放,輸入失調電流也不一樣。高精度的運放,輸入失調電流很小,如下圖所示:

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    其他電路形式相同,我們只更換了運放型號,將LMV358改為OPA2350高精度運放,再看OPA2350的輸入失調電壓為1.3nA。

    三、失調電壓補償

    因為運放的不對稱性,在輸入端電壓都為0時,運放輸出還有微小的電壓,在很多精密運放中,為了使輸入端電壓相等時,輸出電壓為0,通過調整輸入端加一個微小的電壓,使運放輸出端電壓為0,這個微小的電壓叫做失調電壓補償。

    1、如果我們的同相端作為信號輸入,那么我們反向端進行失調電壓補償,我們需要雙電源,正負兩個方向進行補償,雙電源制作方法,正電源就是將電源的負極和大地連在一起,那么正極就是相對于大地電壓為正的電壓,負電源就是將電源的正極與大地連在一起,那么電源的負極端就是負電壓。

    2、補償電阻要盡可能大,100K歐姆以上,盡量減少對原放大電路精度的影響。

    3、補償電源可以采用串聯分壓,提高補償精度。

    運放我們采用LF353,這是一個雙電源供電的運放,單電源供電的沒有辦法進行負電源補償。

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    運放正電壓為5V,負電壓為-5V。

    此時我們看到,當兩端輸入電壓相等均為0時,輸出電壓是1.89mv。

    現在我們做輸入電壓補償:

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    通過電壓補償,我們看到輸出電壓已經減小到9uv了,還是有效果的,可以更好的減小誤差。

    四、輸入電壓范圍

    1、一般指輸入共模電壓范圍,即兩個輸入端處可允許接入的電壓范圍;

    2、反相放人器由于虛地,共模電壓為0,所以不受輸入信號幅值的限制;

    3、以基本的差分放大電路為例,避免輸出電壓范圍的影響;

    4、超出輸人范圍后,可能會出現相位翻轉的現象;

    5、rail-to-rai特性的運放(如OPA2350)可以輸入稍微超過電源軌的電壓。

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    它的工作電壓范圍為2.7V5V,我們采用5V電壓作為工作電壓供電。

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    這里的最小工作電壓低于工作電壓范圍最小值,我們在OPA2350的數據手冊中也找到了解釋。OPA350系列運算放大器的完整額定參數為2.7V至5.5V,實際的電源電壓可以介于2.5V至5.5V之間。

    五、輸出電壓范圍

    我們把運放做成一個電壓跟隨器,我們信號輸入范圍為0~5V,輸出電壓能夠正常跟隨。

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    現在,我們把輸入電壓改為-0.1V5.6V之間,現象如下:

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    運放的輸出已經出現失真現象,當輸入電壓大于工作電壓時,運放輸出最大電壓出現削頂,最大輸出電壓為4.96,最小輸出電壓為100mV左右。

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    有的運放超出最大輸入電壓時,他會出現輸出反向的現象。

    六、壓擺率

    運放的壓擺率(SR),是指輸入為階躍信號時,閉環放大器的輸出電壓時間變化率的平均值,是指單位時間(一般用微秒)器件輸出電壓值的可改變的范圍。

    OPA2350的壓擺率,是在增益為1的情況下測量的。為了避免增益帶來的干擾,減少帶寬的影響,我們還是用電壓跟隨器來做,并且輸入電壓不能超過它的輸入電壓范圍。

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    通過仿真,輸入為三角波,電壓范圍為0至1V。我們可以看出,在輸入頻率為1Mhz時,輸入電壓波形和輸出電壓波形幾乎重合,輸出電壓是跟隨輸入電壓變化的。

    我們使輸入信號的頻率不變,更改一下信號的幅值,將輸入信號的幅值改為05V,我們可以看到,輸出電壓的波形已經和輸出電壓波形有了相位偏移,說明輸出電壓變化已經跟不上輸入電壓信號的變化。

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    接下來,我們計算一下它的壓擺率。

    SR=(用通道B的T1時刻電壓-通道B的T2時刻電壓)/(T2-T1)=17.24V左右,與數據手冊所給的20接近。

    我們選擇運放壓擺率的經驗公式為SR=2*π*f*Vpk,其中f為運放輸入信號的頻率,Vpk是輸入的幅值電壓,比如輸入信號頻率為100khz,Vpk為5,可以計算得出:

    SR=2*3.14*10*1000*5=3140000V/s=3.14V/us,OPA2350為22V/us是滿足條件的。

    而像LMV358這種普通運放,壓擺率為0.6V/us,則滿足不了我們的設計要求。

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    七、增益帶寬積

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    OPA2350的增益帶寬積為38MHZ,是在增益G=1的條件下測試的,衰減為-3db。

    仿真如下所示:

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    頻率為38MHz,輸入信號為0至2V,電路采用的是電壓跟隨器方式,紅色為信號發生器輸入電壓,紫色為運放輸出電壓,可以明顯看出,運放的輸出波形滯后于信號發生器的輸入波形,且輸出幅度有衰減。

    由此可以計算一下,輸出的最大電壓為1.203V,與我們的輸入最大電壓相比,1.2/2=60%,衰減為40%,與理論給的30%接近,所以運放數據手冊所給出的增益帶寬積是在增益G=1,衰減為30%信號幅值條件下給出的。

    如果我們增大增益,會提前出現30%的衰減現象。所以在選擇運放的時候,運放增益積要大于一個值,G=K*輸入頻率*增益放大倍數,k值一般取10。

    比如,輸入頻率為10Khz,增益放大倍數為100,那么所需要的運放增益帶寬積應該為10M。

    OPA2350的增益帶寬為38MHZ,滿足設計要求;而像LMV358,它的增益帶寬僅為1Mhz,滿足不了這個設計要求。

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    八、共模增益

    1、使用基本差分成大電路;

    2、兩個輸入端輸入相同的電壓,輸入零差模信號,觀察輸出信號;

    3、注意頻率對共模增益的嚴重影響;

    下面這張是OPA2350的數據手冊里面的共模抑制比數據圖:

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    在直流或者低頻信號的時候,它的共模抑制比很大,隨之頻率增加,共模抑制比迅速減小。

    這里輸入電壓范圍為0至2V,一開始設置頻率為1MHz,將示波器改為交流耦合,來測輸入相同電壓時運放的輸出波形。

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    幅值為16uV左右,數據手冊表明,隨著輸入信號頻率的增加,共模抑制比減小(共模抑制比=輸入的共模電壓/運放輸出電壓)。

    現在我們增大輸入信號的頻率,改為5Mhz,然后再來看一下輸出波形,幅值變為13uV左右。

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    此處是我不理解的地方,按照數據手冊上,輸入信號的頻率增大時,共模抑制比應該是減小,但我測得輸出卻是增大的……

    以上就是運放幾個參數的分析過程了,內容可能有不對的地方,希望各位大牛指教,謝謝!

    ~ end ~

    來源:8號線攻城獅

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