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[技术讨论] 运放的共模输入/输出电压设置不对别慌,学长为你分析

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kk的回忆|  楼主 | 2021-7-4 21:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
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@21小跑堂
运放是电工经常用到的元器件,在选择一个运放的时候,就要关注电压参数。从运放的datasheet中首先看到的就是输入电压范围,这个很好理解,就是运放电源电压的使用条件。
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但是仅仅理解这个电压,就能正确使用运放吗?显然不是的,还需要关注运放的共模输入电压范围:
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最近看到论坛有聊到运放共模输入电压,也聊聊我的一些认识。这个共模输入电压没有选择好,输出就达不到理想的设计输出效果。运放输入共模电压的限制主要是运放内部第一级的差分输入级晶体管要工作的饱和区的限制。运放是同相输入还是反相输入的接入,都会导致运放的共模电压的不同。一般对运放共模输入电压有如下定义
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下面两个示意图反应了共模输入电压在不同电路是不同的,对于反相输入的运放电路,共模输入电压是定值,基本就是GND电压,为0.对于同相输入 运放电路,共模输入电压随输入电压变化而变化的。
6309160e1b250ca2c8.png
如果电路的共模电压超过了datasheet中规定的限值,输出会是什么样子了。下面通过仿真电路来看下,当共模输入电压不满足要求,输出是什么样的。
首先以OPA140为例,当输入电源电压是5V的时候,根据datasheet得到其输入共模电压范围在0.2V到4.8V之间,并不是一个轨对轨的运放。
5538260e1b25d60c1e.png
使用OPA140搭建一个跟随器,双电源供电。当输入信号是一个±5V的信号,按照理想运放分析的话。输出信号应该±5V的信号。但是公国TINA进行仿真分析,发现输出信号在2.3V被cliping。 这是没有完全跟随理想运放的特性,就是受到输入共模电压的限制。所以在设计运放的时候要重点关注选择的运放输入共模电压是不是合理,由于共模输入电压是和电源电压有关系,所以在选择了电源电压的时候,共模输入电压的范围也大致确定了,但是仿真数据是做一个参考,实际输出电压范围还是要以实际电路测试中的结果为准,就是为了避免输出电压在阈值范围附近,仿真模型不能完全反应出实际电路的特性,毕竟实际电路高低温,高湿环境下造成运放参数偏移,这些通过仿真模型是得不到的。
8435960e1b26df2b38.png
随后给一个改变电源电压的仿真例子,仿真结果显而易见,电源电压修改为±10V,共模输入电压范围就是-0.1V到8.5V。所以运放输入电压范围是±5V,输出就能满足跟随器的特性,完全跟随输入的信号。
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由于输出特性是和输入特性强相关,那么输入信号满足输入共模电压范围,那么是不是输出信号就能完全符合电路特性呢?显然这个也是不对的,是因为输出电压也是有范围的,输出电压也不是能完全达到电源电压的范围,从OPA140得知,输出电压也是受电源电压影响,当输入电压是-1.5V<Vin<1.5V,电源电压Vcc=±2.5V,那么输入共模电压范围就是
-2.6V<Vin<-1V,输出电压范围-2.7V<Vout<2.3V,所以当输入电压在-1V<Vin<1.5V,输出是没有信号的,这个仿真的例子说明运放的输出是非线性的行为,没有满足跟随器的特性。尽管此时输出电压是0V,但是输出信号有可能是随机的,此时运放已经工作不正常,在实际电路中出现什么情形都是有可能的。所以,此时仿真的数据仅仅做参考。此时要做的工作就是选择一个满足要求的运放,或者修改输入共模电压的范围,使电路满足要求。
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通过以上几个仿真例子,应该很清楚的明白了运算放大器共模输入电压对电路的影响。所以在实际产品的设计过程中,通过仿真或者Math分析计算发现,运放的VICMR不能满足要求的时候,但是此时电路设计已经基本定型,layout的修改也比较麻烦,此时需要有一些备选方案做改进:
1. 要是仅仅发现是输入信号的幅值太高,可以使用电阻分压器,修改VICMR的范围,使其满足VICMR的范围;
2. 向供应商咨询,能否选用pin-to-pin的运放,将运放修改为轨对轨的输入运放;
3. 要是仅仅是输入信号偏移存在问题,可以使用一个输入偏置或者DC偏移点哪里,从而让输入信号可以保持在规定的运算放大器VICMR范围里面;
以上的几个建议仅仅是作为参考,最后的方法是方案设计期间,就详细计算VICMR,下面是以OPA140运放搭建一个跟随器电路。同样的电路,当输入电压和电源电压发生变化的时候,输出会得到不同的电压。根据仿真数据,做了一个简单的小结:
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在仿真1中就是,输出电压超过了datasheet的范围;
在仿真2中就是,输入共模电压超过了datasheet的范围;
在仿真3中就是,输出电压超过了datasheet的范围,同时输入共模电压超过了datasheet的范围;
在仿真4中就是,输出电压超过了datasheet的范围,同时输入共模电压超过了datasheet的范围;
附件是OPA140的仿真模型,感兴趣的可以尝试仿真是否和此文中的数据一致;

op140.rar

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21小跑堂 打赏了 100.00 元 2021-07-06
理由:恭喜获得原创奖!请多多加油哦!

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siyi1015| | 2021-7-6 17:57 | 显示全部楼层
仿真过程把现象说清楚了,能从原理上说说为什么有共模电压的限制要求吗?

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大树2021| | 2021-7-6 18:02 | 显示全部楼层
讲的挺不错的,过来学习下

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kk的回忆|  楼主 | 2021-7-6 18:07 | 显示全部楼层
siyi1015 发表于 2021-7-6 17:57
仿真过程把现象说清楚了,能从原理上说说为什么有共模电压的限制要求吗? ...

会在下个帖子里写这个内容的

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天又123456| | 2021-7-6 19:28 | 显示全部楼层
超过共模输入电压后,输出电压是不是会不确定的?

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sunflower123321| | 2021-7-7 19:16 | 显示全部楼层
不错,等下一个帖子一起理解了,O(∩_∩)O

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kk的回忆|  楼主 | 2021-7-7 19:17 | 显示全部楼层
天又123456 发表于 2021-7-6 19:28
超过共模输入电压后,输出电压是不是会不确定的?

是的,超过范围,输出电压就不确定了

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伟伟2021| | 2021-7-7 19:28 | 显示全部楼层
对运放认识加深了,以后选择运放可以更准确的

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waiter19861| | 2021-7-8 20:25 | 显示全部楼层
写的不错,过来学习学习

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战将之斧| | 2021-7-17 22:35 | 显示全部楼层
本帖最后由 战将之斧 于 2021-7-18 16:52 编辑

学习中看到一片可以可以共享的,把什么是共模电压说的比较通俗
大神带你深刻认识差模电压和共模电压 - 21ic电子网

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