運放放大器的十個關(guān)鍵點詳細說明

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運放十坑之軌到軌

運放輸出電壓到不了電源軌的這種明坑踩了后，我選擇了軌到軌的運放，哈哈，這樣運放終于可以輸出到電源軌了。高興的背后是一個隱蔽大坑等著我：

看看我常用的某公司對軌到軌運放產(chǎn)品的介紹：“高速（》50MHz））軌到軌運算放大器支持以更低的電源電壓、更接近供電軌的擺幅和更寬的動態(tài)范圍工作?！笨吹?jīng)]有：

“以更低的電源電壓、更接近供電軌的擺幅和更寬的動態(tài)范圍工作。”

“更接近供電軌的擺幅”

“更接近”

“接近”

。..。..

看一個軌到軌運放的手冊：

輸出電壓的確是到不了電源的5V，Why？

運放的輸出級可以簡化為下面這種的結(jié)構(gòu)形式：

由于MOS管有導(dǎo)通電阻，當(dāng)流過電流時，導(dǎo)致了電壓降，因此，當(dāng)負載越大時，導(dǎo)通壓降越大，輸出電壓越不能達到軌。

所以說，軌到軌運放不是完全的可以使輸出到達電源值，要使用的時候，還需要看負載和溫度（影響導(dǎo)通電阻阻值）的關(guān)系來決定輸出能達到多大電壓。

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運放十坑之不可忽略的輸入偏置電流

設(shè)計了一個分壓電路，理論上輸入1V，輸出2V，可是一測，總是多了近6，7百個mV。這要是進12位3V量程ADC，可是要吃掉600多個碼。點解？

原來運放正向輸入端和反向輸入端由于TVS漏電流和管子輸入偏置電流，導(dǎo)致了兩個輸入端存在輸入偏置電流（而且由于沒有任何一個器件和另外一個器件一模一樣，這兩者輸入偏置電流還不盡相同）;這兩個偏置電流會與外部電阻一起形成偏置電壓后，輸出到后端，形成誤差。如果你不巧選擇了一個基于BJT設(shè)計的運放，它具有較大的輸入偏置電流，就會造成很大的后級誤差。如下圖這種運放，真是“豈止于大，簡直是莽”。

下面假設(shè)，兩個輸入端的輸入偏置電流相同。

對于，正向輸入端來說，Ib+帶來偏置電壓幾乎等于0，而對于反向輸入端來說，Ib-帶來的偏置電壓等于350mV（計算時，假設(shè)Vout接地，相當(dāng)于R1//R2）。因此，需要的是在正向輸入端增加一個電阻，來補償反向輸入端帶來的誤差。

正如前文所述，正反相輸入偏置電流不盡相同，補償只能減小失調(diào)電壓，而正反相輸入偏置電流差也稱為失調(diào)電流。在進行高精度或小信號采樣時，可以選用低失調(diào)電流運放，因為加入補償電阻，也代入了一個新的噪聲源，要慎重加入。

偏置電流是運放的主要誤差之一，在之后的坑中，還會介紹一些影響后級的誤差源。

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運放十坑之快速下降的PSRR

當(dāng)我是個菜鳥工程師的時候，做運放設(shè)計從來不考慮PSRR，當(dāng)聽說過PSRR之后，每次選運放都會在成本控制基礎(chǔ)上選擇一個有較高PSRR的運放。

比如這款運放PSRR達到了160dB：

根據(jù)計算公式：

即使電源電壓在4.5V-5.5V區(qū)間內(nèi)發(fā)生變化，電源對運放輸出的影響只有10nV。

很可惜，這個指標(biāo)是指電源電壓的直流變化，而不包括電源電壓交流的變化（如紋波），在交流情況下，這個指標(biāo)會發(fā)生非常大的惡化。Spec.里面提到的只是直流變化，交流變化在后面圖示里面，一般情況下，非資深工程師對待圖示都是滑滑地翻過去。

如果運放電路使用了開關(guān)電源，又沒有把去耦、濾波做得很好的話，后級輸入精度會受到極大的影響。來看，同一款運放的交流PSRR。

對于500kHz開關(guān)頻率的紋波，PSRR+惡化到只有50dB，假設(shè)紋波大小為100mV，那么對于后級的影響惡化會達到0.3mV。對于很多小信號采集的應(yīng)用來說，這個誤差是不可接受的。因此，有些應(yīng)用場景甚至?xí)谶\放電源入口做一個低通濾波（請注意電阻功耗和電阻熱噪聲）。

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運放十坑之亂加的補償電容

以前有個“老工程師”對我說，反饋電路加個電容，電路就不會震蕩。一看到“震蕩”這么高大上的詞語，我當(dāng)場就懵逼了，以后所有的電路都并一個小電容，這樣才professional。

直到一天，我要放大一個100kHz（運氣很好，頻率還沒有太高，不然電壓反饋運放都沒法玩）的信號，也是按照經(jīng)驗并上一個電容，然后，信號再也沒有正常。因為，并上了這個電容反饋阻抗對于100kHz的信號變成了只有不到200Ω，導(dǎo)致放大系數(shù)變化。

然，這還不是關(guān)鍵，問題在于：真的需要一個補償電容嗎？

首先，運放內(nèi)部存在一個極點（把它想成就是RC低通造成的），它會造成相位的改變，最大到-90°：

如果再增加一個極點呢，它又會再次對相位進行改變，最大還可以增加到90°：

這樣相位就到了-180°，這有什么問題呢？那就是“震蕩”。看一下電壓負反饋運放的增益：

當(dāng)某些頻率點上的環(huán)路增益Aβ等于1，而相位為-180°的時候，這時，Vout/Vin會變成無窮大，電路就不穩(wěn)定了。因此，當(dāng)外部增加一個零點時，運放就會在某些頻率點進入震蕩，比如引腳上的分布電容，如下圖：

這時，我們并上一個電容，相當(dāng)于人為引入一個零點，把拉下去的相位，拉上來，但是，這個分布電容一般很小，使得它環(huán)路增益Aβ等于1的位置非常遠，在這么遠的頻點上，運放早就不能正常工作了。而看手冊這個運放自身在100k的時候，相位余量相當(dāng)?shù)母?，超過了90°，完全不需要增加額外的補償電容。

因此，對于具體情況，要具體分析，不能被“老工程師”帶著跑了。

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運放十坑之被冤枉的共模輸入范圍

以前遇到過一個問題，前級運放放大后，再由運放跟隨進ADC，進ADC的信號是0.3V-1.5V。感覺是個很簡單的電路，但是后面實測這顆工作電壓為單電源5V的運放，有部分板卡在輸出1.5V左右的時候，它的輸出值并沒有完全跟隨到輸入值，而低于比1.5V的信號，跟隨都沒問題，但是一旦接近就不對。

當(dāng)然，這個問題就上了硬件組的會議，最后討論的結(jié)果是：“這個運放有問題，我們要找廠商嚎盤，但是我們是xx企業(yè)，別個又不得理我們，這樣吧，我們換一個其它公司的運放”。不幸的是，我們冤枉了一顆運放，并且沒有找到問題原因，幸運的是，在沒有完全弄清原理的前提下，我們碰巧選到了一顆可以正常工作的運放。

來看下這款運放的一個指標(biāo)，運放共模輸入范圍：

運放共模輸入范圍是運放輸入電壓的一個區(qū)間，它表征的是運放能夠線性工作的區(qū)間，即輸入電壓共模值在這個區(qū)間內(nèi)，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時，輸出電壓能夠線性的發(fā)生變化。

對于跟隨電路，由于存在負反饋，基本上可認(rèn)為正相輸入端電壓和負相輸入端電壓是同一個值，而這顆運放在5V供電時，它的共模輸入范圍是-0.1V至1.5V。因此，當(dāng)輸入電壓在1.5V左右的時候，運放就存在不能正常線性跟隨的情況。

為什么不能跟隨呢？來看一個三極管放大電路，它也是運放的組成部分之一，來進行舉例說明。

當(dāng)輸入的Vb發(fā)生變化時，Ie就會隨著Vb發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起Vc的變化，這就是跟隨。若Vb繼續(xù)增大到，使得Vc=Vcc-Ie x Rc計算值為負數(shù)的時候，而實際上Ie x Rc并不能超過Vcc，這時放大電路達到飽和甚至電流反相，導(dǎo)致輸出電壓固定或削峰或反向等。

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運放十坑之不可忽略的壓擺率

做1pps驅(qū)動電路，要求上升沿≤5ns，FPGA輸出的信號用運放跟隨增強驅(qū)動后，發(fā)現(xiàn)上升沿達不到要求。為什么呢？因為沒有考慮到一個重要的指標(biāo)，壓擺率。壓擺率是指：輸入為階躍信號時，閉環(huán)放大器的輸出電壓時間變化率的平均值。即輸入一個理想的階躍信號，輸出會是一個帶斜率信號，這個信號的爬升速率就是壓擺率。

看一下這個運放的壓擺率：

根本達不到要求啊，5ns只能爬升20mV，所以，上升沿根本達不到設(shè)計需求。怎么辦呢？后期飛線增加了一個脈沖增強電路。

脈沖增強電路C4和R4，相當(dāng)于一個微分電路C4和RL（當(dāng)C x RL遠小于壓擺率時間）加一個直流電阻R4，使得負載RL上的信號邊沿變得更加陡峭。分析一下：

a.電容C4與RL形成分壓電路，根據(jù)下圖的計算公式，C4上電壓的變化率等于RL上的電壓值。

b.那么假設(shè)電容電壓變化率在0-τ范圍內(nèi)是幾乎不變化的，那么負載RL上面的電壓也是幾乎不變的，一旦電容開始充電（電壓發(fā)生變化），負載RL的電壓就上升到頂點。記為波形1，如下圖。

c.然后在電容充電結(jié)束后開始下落，為了解決沒有變化率就沒有電壓的問題，增加一個直流電阻R4維持波形，它是一個直通波形，也就是原始波形，記為波形2。

d.兩個波形合在一起后，由于波形1，波形2的上升沿得到極大增強，從而使得合成波形上升沿得以改善。

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運放十坑之被遺忘的反饋電阻

為了擴大外部驅(qū)動能力，一般會在最后一級增加一個跟隨電路，選擇電流反饋運放-CFA增加運放的輸出帶寬。好簡單哦，可惜你就是調(diào)不出來。還是先看圖吧。好簡單哦，可惜你就是調(diào)不出來。還是先看圖吧。

什么電源軌、共模輸入范圍、增益積帶寬、帶載能力、壓擺率。我全都考慮了啊，還是不對呢？

因為，CFA和VFA（電壓反饋運放）不一樣，讀書時學(xué)的運放，基本上老師都是拿VFA進行舉例和講解。下圖是CFA運放的模型：

它與VFA區(qū)別是，輸入端不再是兩個都虛斷，反相輸入電阻ZB是個非常小的值，但又絕對不能認(rèn)為是零;它的開環(huán)增益Gout不再是非常大，而是約等于1;它的跨阻Z可以認(rèn)為是無窮大。

因此，CFA的跟隨電路的電路模型如下：

解出Aβ等于：

它的閉環(huán)增益是：

當(dāng)沒有反饋電阻ZF的時候，A約等于1，ZF趨近于0，Aβ趨近于無窮，增益趨近于0，和想要的跟隨電路完全不一樣，也就是網(wǎng)上常說的“CFA不加反饋電阻就沒信號”。（沒找到這句話，忘記是在哪里看到的了，只能看下CFA手冊上對反饋電阻的介紹）

因此，要增加一個反饋電阻，電路就會正常工作了。

PS：上面推導(dǎo)計算有技巧，只能從Aβ進行計算推導(dǎo)，因為CFA的計算前提是反相輸入電阻ZB是個非常小的值;它的跨阻Z可以認(rèn)為是無窮大，所以，要在求極限是找到一個單一變量，如果按照最終表達進行求極限，一個函數(shù)，三個變量（ZF趨近于0，ZB趨近于0，Z趨近于無窮），沒法玩，如下圖。

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運放十坑之失效的AD620

在我讀大學(xué)的年代，儀用放大器絕對是一個高X格的詞語，在那個還常見三運放搭差分運放的年代，儀放是超高共模抑制比、高溫度穩(wěn)定性的代名詞，正相反相兩個電壓差一減，就得到了結(jié)果，這絕對是一個采集EEG信號的好東西啊。

由于EEG信號幅度很小，加上前級放大，也不過1V左右，因此，屢試不爽也沒什么問題。后來要做一個工業(yè)現(xiàn)場信號檢測，就不正常了。還是先看圖吧：

采集4-20mA電流，得到1V-5V電壓差，放大2倍后進入后級ADC。為了防止電阻功耗過高，R128，R129，R130三個電阻采用了并聯(lián)取值的方式，最終取到了250Ω這個值。

分析一下，正相輸入端2V-10V，符合器件輸入范圍（VCC-1.4V），反相輸入端1V-5V，我加了負電，那更是符合了;然后看放大倍數(shù)2倍，Vmax=10V，也符合器件輸出范圍（VCC-1.4V）;電源、放大倍數(shù)、去耦等等都沒有問題。這是一個顯得沒有任何錯誤的原理圖，但是實際上，它會在高輸入電壓值時發(fā)生錯誤。

看下儀放的內(nèi)部原理，就明白了（這里選一個手上有的資料，非AD620的內(nèi)部原理，其實儀放原理都差不多）

正相輸入電壓和反相輸入電壓體現(xiàn)在儀放內(nèi)部的R2處，而真正進行輸出的電壓，是由V1out和V2out體現(xiàn)的，換一句話說，最終增加的電壓值平分為兩份，一份由V1out提供，它會比V1高，另外一份由V2out提供，它會比V2低。

再看原理圖，在20mA的時候，Vin+達到了10V，Vin-是5V，放大2倍，在儀放內(nèi)部需要將Vin+放大到12.5V。這已經(jīng)超過了儀放供電電壓，因此，是絕對不可能正常工作的。

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運放十坑之ADC的采樣時間被運放拖累

ADC采集信號，信號穩(wěn)定的時候，很準(zhǔn)確;信號變化的時候，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。當(dāng)然了，ADC有采樣時間，軟件工程師也知道，他采了10次，只取后5次，但是數(shù)據(jù)還是有不穩(wěn)定的狀態(tài)。讓硬件來看電路，硬件工程師說，電路當(dāng)然沒有問題了，全是從別人那里扣來的，怎么在我這就有問題了？

先看ADC的指標(biāo)Tcycmin=500ns和Tacqmin=80ns，這是顆SAR型ADC，速度能上Mbps，還算挺快的。所以，它連續(xù)采樣10次，所用時間也才10μs左右。

而運放從信號輸入到輸出，并不是一個無延時的過程，而是一個有延時還帶震蕩的過程，同時，這個過程的時間還會因為后級線路的PCB設(shè)計而增大。如下圖：

看一下運放的指標(biāo)，當(dāng)4V時，達到0.01%，時間為5.1μs，此時帶來的波動誤差是0.4mV，而在4V范圍內(nèi)，一個16位ADC的1LSB為0.06mV。誤差可以吃掉6，7個碼字，如果再加上分布電容和走線電阻，這個時間會進一步增加，使得后級穩(wěn)定時間增長，從而導(dǎo)致誤差變得更加的大。

后來，軟件工程師調(diào)低了采樣率，增加了采集時間，問題得以解決。

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運放十坑之被遺忘的功耗

做過一款板卡，功耗要求很嚴(yán)格，因此，設(shè)計完成后，就畫了電源樹，計算了每個器件的功耗，沒有超，然后投版，調(diào)試，一上電，功耗超標(biāo)。

后面一檢查，發(fā)現(xiàn)是運放功耗計算的時候出現(xiàn)了問題，下圖這樣的運放電路用了5個。

由于是直流驅(qū)動，在計算的時候，只考慮了運放本身的靜態(tài)功耗，PD=15V x 4.2mA =63mW，按照最大靜態(tài)功耗來考慮，功耗余量還綽綽有余。

實際上，忽略了一個重要的功率消耗點：運放供電電壓15V到輸出電壓（1V-4.5V）之間的電壓差，全部在運放里面消耗了，按照最大壓差計算，一個電路就消耗140mW。這種耗散功率，以前從來沒有考慮過，所以，全部都選擇性的忽略了，當(dāng)遇到功耗要求緊張的需求時，問題就暴露出來了。

后面改版的時候，選擇了低電壓給運放供電，減少了耗散功耗，滿足了指標(biāo)要求。