运算放大器的选择

     （华强电子世界网讯） 在众多系统的“模拟连接”电路中，运算放大器都是不可或缺的元件。尽管种类和数量繁多，但设计师在选择运算放大器时，往往关注几个基本门类中的一种以缩小选择范围，但这几类运算放大器的一些假象和误区将导致次优的选择。
    
     微功耗
    
     随着电池供电设备的激增，静态电流仅1μA(或更低)的低功耗运算放大器变得日益普及。通过研究放大器级的总静态电流可知：为了保持低消耗电流，必须选择具有兆欧(MΩ)级阻值的反馈网络电阻器，这有可能影响放大级的噪声和准确度指标。放大器负载电流也会使总消耗电流有所增加。
    
     不仅如此，这些超低供电电流放大器的运算速度一般都非常慢(低带宽)，因此适合于速度较慢的信号。设计师应该牢记的是，由于其功耗很低，所以输出电流受到限制，从而导致其容性负载驱动能力下降。最后(但并非最不重要)的一点是，用户应当了解，极低功耗运算放大器的噪声电平较高，因而极大地限制了其在高精度应用中的推广使用。
    
     实现极低功耗的另一个办法是采用启动(停机)功能来开启和关断放大器。最终的极低功耗解决方案同时需要低功耗和停机功能，才能实现数年的连续工作。
    
     带宽
    
     在系统设计的许多方面进行速度和功耗的权衡折衷是非常普遍的，其中就包括运算放大器的选择。一般来讲，为了获得较大的带宽，就需要消耗更多的功率。然而，在现有的运算放大器当中，在一个给定的静态电流条件下，可获得的带宽却存在着显著的差异。
    
     在速度/功耗比值的优化方面，有些运算放大器明显占优，但却隐含了一些折中和妥协。对于容性负载和数据转换器所施加的令人捉摸不定的负载，速度/功耗比的改善可能降低运放的驱动能力。
    
     设计师增加速度/功耗比的方法之一是采用所谓“去补偿”运算放大器设计。去补偿的类型可通过“最小稳定增益”规格或诸如“如果G>3”等描述来区分。
    
     在处于(或高于)其额定最小闭环增益的电路中使用时，这些类型的运算放大器会有明显的优势。必须稍加留意的是，在高频条件下，采用一个旨在实现受控带宽滚降的反馈电容实际上将把运算放大器置于单位增益状态，并有可能导致不稳定。
    
     采用去补偿运算放大器时，诸如滤波器或那些采用罕见反馈网络的特殊电路有可能并不稳定。如果感到怀疑，可检查一下电路对某个脉冲的响应。振铃过大或许意味着采用一个标准的单位增益运算放大器可能是一种更好的选择。
    
     轨至轨运算放大器
    
     在选择运算放大器时，设计师常常要求其具有轨至轨能力。这似乎是一种显而易见的选择，因为许多应用都得益于最大信号摆幅。但可能并不需要真正的轨至轨运算放大器，而且在应用中甚至还会有不利的一面。
    
     轨至轨意味着运算放大器具有轨至轨输入和轨至轨输出能力。轨至轨输出只是一个相对术语，因为目前尚无定义该术语的业界标准。视负载条件的不同，轨至轨输出放大器可以在与电源轨相差数毫伏至数百毫伏的范围内摆动。
    
     某些用于更高工作电压的运算放大器，如果其输出摆幅与电源轨相差不超过1V，也会被称为轨至轨输出。应查看器件数据表“大字标题”以外的数字，以便将输出摆幅与您的负载条件结合起来考虑。
    
     而且应该了解这样一点，就是各家制造商所采用的测试方法是不尽相同的。有些制造商采用“冲击测试”(slam test)来测量输出摆幅；为了获得最大输出，需对运算放大器进行过驱动。
    
     当对输出进行输出摆幅测试时，用于精密信号处理的运算放大器将确保获得良好的开环增益，确保可以输出接近电源轨的准确的无失真信号。
    
     轨至轨输入意味着输入信号可以位于电源电压之间的任何电平上(通常为100mV或更高)。如果需要宽输出电压摆幅，则在一个增益为1的缓冲器配置中就要求具有轨至轨输入。当闭环增益大于1时，可以不要求轨至轨输入。反相放大器很少需要轨至轨输入。
    
     低电压操作问题
    
     低电压操作至今仍然是另一个潜在的难以满足的要求。信号摆动电压变得至关重要，因为每一毫伏电压都要计算在内。对非轨至轨型运算放大器必须进行非常仔细的检查，原因是用户的操作空间很小。共模电压范围和输出摆幅可能会因元件的不同以及温度的变化而存在差异。
    
     精度
    
     精度是一项常见的设计要求。除了失调电压之外，一定要考虑失调电压的温度变化。低失调电压可借助激光或其他修正技术来实现，以获得低初始失调。如果想完成一项耐用的设计，则应对总失调误差随温度的变化情况加以考虑。由于运算放大器的漂移以及所需的温度范围各不相同，更低的初始失调可能有助于提高精度，也可能不起作用。
    
     采用双极型输入晶体管的运算放大器通常能够提供较好的失调电压和漂移特性。具有低初始失调的修正器件往往也具有较低的漂移。尽管器件的数据表有时并未提供所使用的晶体管工艺的相关信息，但仍然能够从其较大的输入偏置电流(一般为1nA或更大)识别出双极型晶体管。CMOS型晶体管的输入偏置电流为几十皮安。
    
     为了获得最佳的精度，自动置零或“斩波器”(chopper)型放大器实现了极低的失调电压和漂移。由于它们采用了对运算放大器中的不平衡进行连续校正的技术，因此可在很宽的温度范围内保持接近于零的失调电压，实际上具有了抗老化能力(失调电压随时间的变化很慢)。
    
     失调是另一个起因是放大器的输入偏置电流。它经常被错误地当作是“输入阻抗”，但实际上是在输入终端中流动的这个相对较小的输入偏置电流。
    ---输入偏置电流是流入或流出运算放大器两个输入终端的较小电流。当该电流流经源电阻和反馈网络时，它就会产生失调电压和漂移。
    
     CMOS和FET输入运算放大器能够将输入偏置电流减小至几乎可以忽略不计的水平。这样，在温度保持中等水平的条件下，只有阻抗非常高的特殊应用才会受到影响。由于CMOS和FET输入运算放大器的输入偏置电流会随着温度的上升呈指数增加(一般是温度每升高10℃，输入偏置电流便加倍)，因此，应核对指示输入偏置电流随温度的变化情况的性能曲线图。
    
     低噪声
    
     许多高性能应用都要求低噪声。在运算放大器的噪声规格中，设计师们往往只把注意力放在了“电压噪声”上，他们认为电压噪声是产生放大器噪声的主要根源。然而，运算放大器的总体噪声性能取决于各噪声源(电压噪声和电流噪声)的综合作用。运算放大器的电流噪声在经过电路阻抗时会产生电压噪声。而且，电阻器本身还具有一个与其阻值的方根成正比的固有热噪声。
    
     对低噪声的追求可能会使设计师走入歧途。噪声最低的运算放大器采用的是双极型输入晶体管(而不是CMOS型或JFET型晶体管)，为此付出的代价是噪声电流有所增加。为了得到低噪声电压的好处，就必须保持较低的电路阻抗。
    
     封装类型
    
     制造商能否提供单通道、双通道和四通道型号这一点不应被忽视。不断变化的系统要求有可能使最完备的计划被取消，从而迫使设计师改变信号通道的配置或数量。
    
     许多运算放大器系列均提供了全部三种封装型式，从而为设计提供了最大的灵活性。电路板布局的约束条件也会令最初的设计方案被迫改弦更张。四通道器件给人的最初印象似乎是效率最高，但它们往往会使电路板布局的复杂程度大为增加。
    
     各种新型封装的电路板占位面积正在日益缩小。单通道运算放大器可采用SOT23封装以及结构相似但外形更加小巧的SC70封装，双通道器件有SOT23-8封装，采用WCSP芯片级封装的运算放大器的占位面积更小。在着手寻找运算放大器之前，应该先检查一下制造能力，因为现有设备未必能处理所有的封装型式。