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运放中的那些坑——第一篇

wFVr_Hardware_1 来源:未知 作者:佚名 2017-08-31 11:40 次阅读

1、运放十坑之一——轨到轨

运放输出电压到不了电源轨的这种明坑踩了后,我选择了轨到轨的运放,哈哈,这样运放终于可以输出到电源轨了。高兴的背后是一个隐蔽大坑等着我:

看看我常用的某公司对轨到轨运放产品的介绍:“高速(>50MHz)轨到轨运算放大器支持以更低的电源电压、更接近供电轨的摆幅和更宽的动态范围工作。”看到没有:

“以更低的电源电压、更接近供电轨的摆幅和更宽的动态范围工作。”

“更接近供电轨的摆幅”

“更接近”

“接近”

。。。

看一个轨到轨运放的手册:

输出电压的确是到不了电源的5V,why?

运放的输出级可以简化为下面这种的结构形式:

由于MOS管有导通电阻,当流过电流时,导致了电压降,因此,当负载越大时,导通压降越大,输出电压越不能达到轨。

所以说,轨到轨运放不是完全的可以使输出到达电源值,要使用的时候,还需要看负载和温度(影响导通电阻阻值)的关系来决定输出能达到多大电压。

2、运放十坑之二——不可忽略的输入偏置电流

设计了一个分压电路,理论上输入1V,输出2V,可是一测,总是多了近6,7百个mV。这要是进12位3V量程ADC,可是要吃掉600多个码。

原来运放正向输入端和反向输入端由于TVS漏电流和管子输入偏置电流,导致了两个输入端存在输入偏置电流(而且由于没有任何一个器件和另外一个器件一模一样,这两者输入偏置电流还不尽相同);这两个偏置电流会与外部电阻一起形成偏置电压后,输出到后端,形成误差。如果你不巧选择了一个基于BJT设计的运放,它具有较大的输入偏置电流,就会造成很大的后级误差。如下图这种运放,真是“岂止于大,简直是莽”。

下面假设,两个输入端的输入偏置电流相同。

对于,正向输入端来说,Ib+带来偏置电压几乎等于0,而对于反向输入端来说,Ib-带来的偏置电压等于350mV(计算时,假设Vout接地,相当于R1//R2)。因此,需要的是在正向输入端增加一个电阻,来补偿反向输入端带来的误差。

正如前文所述,正反相输入偏置电流不尽相同,补偿只能减小失调电压,而正反相输入偏置电流差也称为失调电流。在进行高精度或小信号采样时,可以选用低失调电流运放,因为加入补偿电阻,也代入了一个新的噪声源,要慎重加入。

偏置电流是运放的主要误差之一,在之后的坑中,还会介绍一些影响后级的误差源。

3、运放十坑之三——快速下降的PSRR

当我是个菜鸟工程师的时候,做运放设计从来不考虑PSRR,当听说过PSRR之后,每次选运放都会在成本控制基础上选择一个有较高PSRR的运放。

比如这款运放PSRR达到了160dB:

根据计算公式:

即使电源电压在4.5V-5.5V区间内发生变化,电源对运放输出的影响只有10nV。

很可惜,这个指标是指电源电压的直流变化,而不包括电源电压交流的变化(如纹波),在交流情况下,这个指标会发生非常大的恶化。Spec.里面提到的只是直流变化,交流变化在后面图示里面,一般情况下,非资深工程师对待图示都是滑滑地翻过去。

如果运放电路使用了开关电源,又没有把去耦、滤波做得很好的话,后级输入精度会受到极大的影响。来看,同一款运放的交流PSRR。

对于500kHz开关频率的纹波,PSRR+恶化到只有50dB,假设纹波大小为100mV,那么对于后级的影响恶化会达到0.3mV。对于很多小信号采集的应用来说,这个误差是不可接受的。因此,有些应用场景甚至会在运放电源入口做一个低通滤波(请注意电阻功耗和电阻热噪声)。

4、运放十坑之四——乱加的补偿电容

以前有个“老工程师”对我说,反馈电路加个电容,电路就不会震荡。一看到“震荡”这么高大上的词语,我当场就懵逼了,以后所有的电路都并一个小电容,这样才professional。

直到一天,我要放大一个100kHz(运气很好,频率还没有太高,不然电压反馈运放都没法玩)的信号,也是按照经验并上一个电容,然后。。。信号再也没有正常。。。因为,并上了这个电容反馈阻抗对于100kHz的信号变成了只有不到200Ω,导致放大系数变化。

然,这还不是关键,问题在于:真的需要一个补偿电容吗?

首先,运放内部存在一个极点(把它想成就是RC低通造成的),它会造成相位的改变,最大到-90°:

如果再增加一个极点呢,它又会再次对相位进行改变,最大还可以增加到90°:

这样相位就到了-180°,这有什么问题呢?那就是“震荡”。看一下电压负反馈运放的增益:

当某些频率点上的环路增益Aβ等于1,而相位为-180°的时候,这时,Vout/Vin会变成无穷大,电路就不稳定了。因此,当外部增加一个零点时,运放就会在某些频率点进入震荡,比如引脚上的分布电容,如下图:

这时,我们并上一个电容,相当于人为引入一个零点,把拉下去的相位,拉上来,但是,这个分布电容一般很小,使得它环路增益Aβ等于1的位置非常远,在这么远的频点上,运放早就不能正常工作了。而看手册这个运放自身在100k的时候,相位余量相当的高,超过了90°,完全不需要增加额外的补偿电容。

因此,对于具体情况,要具体分析,不能被“老工程师”带着跑了。

5、运放十坑之五——被冤枉的共模输入范围

以前遇到过一个问题,前级运放放大后,再由运放跟随进ADC,进ADC的信号是0.3V-1.5V。感觉是个很简单的电路,但是后面实测这颗工作电压为单电源5V的运放,有部分板卡在输出1.5V左右的时候,它的输出值并没有完全跟随到输入值,而低于比1.5V的信号,跟随都没问题,但是一旦接近就不对。

当然,这个问题就上了硬件组的会议,最后讨论的结果是:“这个运放有问题,我们要找厂商嚎盘,但是我们是xx企业,别个又不得理我们,这样吧,我们换一个其它公司的运放”。不幸的是,我们冤枉了一颗运放,并且没有找到问题原因,幸运的是,在没有完全弄清原理的前提下,我们碰巧选到了一颗可以正常工作的运放。

来看下这款运放的一个指标,运放共模输入范围:

运放共模输入范围是运放输入电压的一个区间,它表征的是运放能够线性工作的区间,即输入电压共模值在这个区间内,当输入电压发生变化时,输出电压能够线性的发生变化。

对于跟随电路,由于存在负反馈,基本上可认为正相输入端电压和负相输入端电压是同一个值,而这颗运放在5V供电时,它的共模输入范围是-0.1V至1.5V。因此,当输入电压在1.5V左右的时候,运放就存在不能正常线性跟随的情况。

为什么不能跟随呢?来看一个三极管放大电路,它也是运放的组成部分之一,来进行举例说明。

当输入的Vb发生变化时,Ie就会随着Vb发生相应的变化,从而引起Vc的变化,这就是跟随。若Vb继续增大到,使得Vc=Vcc-Ie x Rc计算值为负数的时候,而实际上Ie x Rc并不能超过Vcc,这时放大电路达到饱和甚至电流反相,导致输出电压固定或削峰或反向等。

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原文标题:【经典运放实战】运放十坑(前5坑)

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