運(yùn)放中的那些坑——第一篇

1、運(yùn)放十坑之一——軌到軌

運(yùn)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(yùn)放，哈哈，這樣運(yùn)放終于可以輸出到電源軌了。高興的背后是一個(gè)隱蔽大坑等著我：

看看我常用的某公司對(duì)軌到軌運(yùn)放產(chǎn)品的介紹：“高速(>50MHz)軌到軌運(yùn)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(dòng)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(dòng)態(tài)范圍工作?！?/p>

“更接近供電軌的擺幅”

“更接近”

“接近”

。。。

看一個(gè)軌到軌運(yùn)放的手冊(cè)：

輸出電壓的確是到不了電源的5V，why？

運(yùn)放的輸出級(jí)可以簡(jiǎn)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(guò)電流時(shí)，導(dǎo)致了電壓降，因此，當(dāng)負(fù)載越大時(shí)，導(dǎo)通壓降越大，輸出電壓越不能達(dá)到軌。

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

2、運(yùn)放十坑之二——不可忽略的輸入偏置電流

設(shè)計(jì)了一個(gè)分壓電路，理論上輸入1V，輸出2V，可是一測(cè)，總是多了近6,7百個(gè)mV。這要是進(jìn)12位3V量程ADC，可是要吃掉600多個(gè)碼。

原來(lái)運(yùn)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(gè)輸入端存在輸入偏置電流（而且由于沒(méi)有任何一個(gè)器件和另外一個(gè)器件一模一樣，這兩者輸入偏置電流還不盡相同）；這兩個(gè)偏置電流會(huì)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(gè)基于BJT設(shè)計(jì)的運(yùn)放，它具有較大的輸入偏置電流，就會(huì)造成很大的后級(jí)誤差。如下圖這種運(yùn)放，真是“豈止于大，簡(jiǎn)直是莽”。

下面假設(shè)，兩個(gè)輸入端的輸入偏置電流相同。

對(duì)于，正向輸入端來(lái)說(shuō)，Ib+帶來(lái)偏置電壓幾乎等于0，而對(duì)于反向輸入端來(lái)說(shuō)，Ib-帶來(lái)的偏置電壓等于350mV（計(jì)算時(shí)，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(gè)電阻，來(lái)補(bǔ)償反向輸入端帶來(lái)的誤差。

正如前文所述，正反相輸入偏置電流不盡相同，補(bǔ)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(jìn)行高精度或小信號(hào)采樣時(shí)，可以選用低失調(diào)電流運(yùn)放，因?yàn)?span style="">加入補(bǔ)償電阻，也代入了一個(gè)新的噪聲源，要慎重加入。

偏置電流是運(yùn)放的主要誤差之一，在之后的坑中，還會(huì)介紹一些影響后級(jí)的誤差源。

3、運(yùn)放十坑之三——快速下降的PSRR

當(dāng)我是個(gè)菜鳥(niǎo)工程師的時(shí)候，做運(yùn)放設(shè)計(jì)從來(lái)不考慮PSRR，當(dāng)聽(tīng)說(shuō)過(guò)PSRR之后，每次選運(yùn)放都會(huì)在成本控制基礎(chǔ)上選擇一個(gè)有較高PSRR的運(yùn)放。

比如這款運(yùn)放PSRR達(dá)到了160dB：

根據(jù)計(jì)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(duì)運(yùn)放輸出的影響只有10nV。

很可惜，這個(gè)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(gè)指標(biāo)會(huì)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(duì)待圖示都是滑滑地翻過(guò)去。

如果運(yùn)放電路使用了開(kāi)關(guān)電源，又沒(méi)有把去耦、濾波做得很好的話，后級(jí)輸入精度會(huì)受到極大的影響。來(lái)看，同一款運(yùn)放的交流PSRR。

對(duì)于500kHz開(kāi)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(duì)于后級(jí)的影響惡化會(huì)達(dá)到0.3mV。對(duì)于很多小信號(hào)采集的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)誤差是不可接受的。因此，有些應(yīng)用場(chǎng)景甚至?xí)谶\(yùn)放電源入口做一個(gè)低通濾波（請(qǐng)注意電阻功耗和電阻熱噪聲）。

4、運(yùn)放十坑之四——亂加的補(bǔ)償電容

以前有個(gè)“老工程師”對(duì)我說(shuō)，反饋電路加個(gè)電容，電路就不會(huì)震蕩。一看到“震蕩”這么高大上的詞語(yǔ)，我當(dāng)場(chǎng)就懵逼了，以后所有的電路都并一個(gè)小電容，這樣才professional。

直到一天，我要放大一個(gè)100kHz（運(yùn)氣很好，頻率還沒(méi)有太高，不然電壓反饋運(yùn)放都沒(méi)法玩）的信號(hào)，也是按照經(jīng)驗(yàn)并上一個(gè)電容，然后。。。信號(hào)再也沒(méi)有正常。。。因?yàn)?，并上了這個(gè)電容反饋?zhàn)杩箤?duì)于100kHz的信號(hào)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(wèn)題在于：真的需要一個(gè)補(bǔ)償電容嗎？

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

如果再增加一個(gè)極點(diǎn)呢，它又會(huì)再次對(duì)相位進(jìn)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(wèn)題呢？那就是“震蕩”?？匆幌码妷贺?fù)反饋運(yùn)放的增益：

當(dāng)某些頻率點(diǎn)上的環(huán)路增益Aβ等于1，而相位為-180°的時(shí)候，這時(shí)，Vout/Vin會(huì)變成無(wú)窮大，電路就不穩(wěn)定了。因此，當(dāng)外部增加一個(gè)零點(diǎn)時(shí)，運(yùn)放就會(huì)在某些頻率點(diǎn)進(jìn)入震蕩，比如引腳上的分布電容，如下圖：

這時(shí)，我們并上一個(gè)電容，相當(dāng)于人為引入一個(gè)零點(diǎn)，把拉下去的相位，拉上來(lái)，但是，這個(gè)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(yuǎn)，在這么遠(yuǎn)的頻點(diǎn)上，運(yùn)放早就不能正常工作了。而看手冊(cè)這個(gè)運(yùn)放自身在100k的時(shí)候，相位余量相當(dāng)?shù)母?，超過(guò)了90°，完全不需要增加額外的補(bǔ)償電容。

因此，對(duì)于具體情況，要具體分析，不能被“老工程師”帶著跑了。

5、運(yùn)放十坑之五——被冤枉的共模輸入范圍

以前遇到過(guò)一個(gè)問(wèn)題，前級(jí)運(yùn)放放大后，再由運(yùn)放跟隨進(jìn)ADC，進(jìn)ADC的信號(hào)是0.3V-1.5V。感覺(jué)是個(gè)很簡(jiǎn)單的電路，但是后面實(shí)測(cè)這顆工作電壓為單電源5V的運(yùn)放，有部分板卡在輸出1.5V左右的時(shí)候，它的輸出值并沒(méi)有完全跟隨到輸入值，而低于比1.5V的信號(hào)，跟隨都沒(méi)問(wèn)題，但是一旦接近就不對(duì)。

當(dāng)然，這個(gè)問(wèn)題就上了硬件組的會(huì)議，最后討論的結(jié)果是：“這個(gè)運(yùn)放有問(wèn)題，我們要找廠商嚎盤，但是我們是xx企業(yè)，別個(gè)又不得理我們，這樣吧，我們換一個(gè)其它公司的運(yùn)放”。不幸的是，我們?cè)┩髁艘活w運(yùn)放，并且沒(méi)有找到問(wèn)題原因，幸運(yùn)的是，在沒(méi)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(yùn)放。

來(lái)看下這款運(yùn)放的一個(gè)指標(biāo)，運(yùn)放共模輸入范圍：

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

對(duì)于跟隨電路，由于存在負(fù)反饋，基本上可認(rèn)為正相輸入端電壓和負(fù)相輸入端電壓是同一個(gè)值，而這顆運(yùn)放在5V供電時(shí)，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(shí)候，運(yùn)放就存在不能正常線性跟隨的情況。

為什么不能跟隨呢？來(lái)看一個(gè)三極管放大電路，它也是運(yùn)放的組成部分之一，來(lái)進(jìn)行舉例說(shuō)明。

當(dāng)輸入的Vb發(fā)生變化時(shí)，Ie就會(huì)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(jì)算值為負(fù)數(shù)的時(shí)候，而實(shí)際上Ie x Rc并不能超過(guò)Vcc，這時(shí)放大電路達(dá)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。