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[运放] 这里有你不知道的运放参数玩法,get√√

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woai32lala|  楼主 | 2021-12-25 17:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
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运放的几个参数分析
1、输入失调电压
输入失调电压定义:在室温25℃及标准电源电压下,输入电压为0时,为使输出电压为0,在输入端加的补偿电压叫做失调电压。
在理想的情况下,认为当运放的两个输入端输入相同的电压时,比如输入电压均为0,运放的输出端电压为0,实则不然,因为实际上它的差分输入级很难做到完全对称,常在输入电压为0时,存在一定的输出电压,大概几个微伏或者几个毫伏,不同运放的性能不同,输入失调电压也不一样。
下面是LMV358运放失调电压的测试
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因为运放的失调电压通常比较小,因此我们接了一个比较大反馈电压,放大倍数为1001倍,因为我们可以看到在运放的负输入端,电压为4.83mV,因此LMV358我们所测是的失调电压为4.83mV。
我们来看LMV358数据手册
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典型的失调电压为0.5mV,最大是±5mV,我们测试结果还在范围内,但是已经比较大了。所以大家在选择芯片的时候要考虑运放的输入失调电压,避免误差造成的影响。
下面是OPA2350输入失调电压仿真。
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可以看出OPA2350作为高精度运放,它的输入失调电压很小。

2、输入失调电流
输入失调电流会造成输入失调电压变大,因此反馈电阻要小一点,避免反馈电阻过大引起测得的失调电压偏大。
此外失调电压是直流量。
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运放的输入一般是基于三极管或者FET结构的长尾式差分输入,对于BJT来说,由于三极管工作在放大区是需要提供一定的偏置电流的,因此需要提供输入电流,一般有nA到uA级别;对于FET来说,由于场效应管本身是压控型器件,但还是存在一定的漏电流,但是电流非常小,一般是fA或者pA级别。但有时候为了ESD,还会增加钳位二极管,从而更加增大了这个漏电流大小。
测试运放的失调电流时,要减少输入失调电压对它的影响,因此要将运放的增益变得很小,我们选择的电阻为R2 为1G欧姆 ,R3为1M欧姆,这样运放输出增益就接近1/1000倍,对失调电流产生的影响就很小。
下图为LMV358的失调电流,为-5.63pa
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与数据手册中所说的10pa接近。
不同的运放输入失调电流不一样,高精度的运放输入失调电流很小,如下图所示。
其他电路形式相同,我们只更换了运放型号,将LMV358改为OPA2350高精度运放,来看OPA2350的输入失调电压为1.3nA。
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3、失调电压补偿
因为运放的不对称性,在输入端电压都为0时,运放输出还有微小的电压,在很多精密运放中,为了使输入端电压相等时,输出电压为0,通过调整输入端加一个微小的电压,使运放输出端电压为0,这个微小的电压叫做失调电压补偿。

1、 如果我们的同相端作为信号输入,那么我们反向端进行失调电压补偿,我们需要双电源,正负两个方向进行补偿,双电源制作方法,正电源就是将电源的负极和大地连在一起,那么正极就是相对于大地电压为正的电压,负电源就是将电源的正极与大地连在一起,那么电源的负极端就是负电压。
2、 补偿电阻要尽可能大,100K欧姆以上,尽量减少对原放大电路精度的影响。
3、 补偿电源可以采用串联分压,提高补偿精度
运放我们采用LF353,这是一个双电源供电的运放,单电源供电的没有办法进行负电源补偿。
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运放正电压为5V,负电压为-5V。
此时我们看到,当两端输入电压相等均为0的时候,输出电压是1.89mv。
现在我们做输入电压补偿。
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通过电压补偿,我们看到输出电压已经减小到9uv了,是有效果的,可以更好的减小误差。

4、输入电压范围
1、 一般指输入共模电压范围,即两个输入端处可允许接入的电压范围;
2、 反相放人器由于虚地,共模电压为0,所以不受输入信号幅值的限制;
3、 以基本的差分放大电路为例,避免输出电压范围的影响:
4、 超出输人范围后,可能会出现相位翻转的现象:
5、 rail-to-rai特性的运放(如:OPA2350)可以输入稍微超过电源轨的电压
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它的工作电压范围为2.7V – 5V,我们采用5V电压作为工作电压供电。
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这里的最小工作电压低于工作电压范围最小值,我们在OPA2350的数据手册中也找到了解释。OPA350 系列运算放大器的完整额定参数为 2.7V 至 5.5V,实际的电源电压可以介于 2.5V 至 5.5V 之间。

5、输出电压范围
我们把运放做成一个电压跟随器,我们信号输入范围为0~5V,输出电压能够正常跟随。
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现在,我们把输入电压改为-0.1—5.6V之间,现象如下:
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运放的输出已经出现失真现象,当输入电压大于工作电压时,运放输出最大电压出现削顶,最大输出电压为4.96,最小输出电压为100mV左右
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有的运放超出最大输入电压时,他会出现输出反向的现象。

6、压摆率
运放的压摆率(SR)是指输入为阶跃信号时闭环放大器的输出电压时间变化率的平均值,是指单位时间(一般用微秒)器件输出电压值的可改变的范围。
OPA2350的压摆率,是在增益为1的情况下测量的,我们为了避免增益带来的干扰,减少带宽的影响。我们还是用电压跟随器来做,并且输入电压不能超过它的输入电压范围。
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通过仿真,输入为三角波,电压范围为0-1V,我们看出在输入频率为1Mhz的时候,输入电压波形和输出电压波形几乎重合,输出电压是跟随输入电压变化的。
我们使输入信号的频率不变,更改一下信号的幅值,将输入信号的幅值改为0-5V,我们可以看到输出电压的波形已经和输出电压波形有了相位偏移,说明输出电压变化已经跟不上输入电压信号的变化。
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我们计算一下它的压摆率
SR =(用通道B的T1时刻电压 - 通道B的T2时刻电压)/(T2 – T1) =  17.24V 左右,与数据手册所给的20接近。
我们选择运放压摆率的经验公式为SR = 2*π*f*Vpk,f为运放输入信号的频率,Vpk是输入的幅值电压,比如我们输入信号频率为100khz,Vpk为5。
则SR = 2 * 3.14 * 10*1000*5 = 3140000V/s= 3.14V/us,OPA2350为22V/us是满足条件的,
像LMV358这种普通运放,压摆率为0.6V/us,满足不了我们的设计要求。
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7、增益带宽积
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OPA2350 的增益带宽积为38MHZ,是在增益G= 1的条件下测试的,衰减为-3db。
仿真如下所示。
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频率为38MHz,输入信号为0-2V,电路采用的是电压跟随器方式,红色为信号发生器输入电压,紫色为运放输出电压,可以明显看出,运放的输出波形滞后于信号发生器的输入波形,且输出幅度有衰减,我们可以计算一下,输出的最大电压为1.203V,与我们的输入最大电压相比,1.2 / 2 = %60,衰减为%40,与理论给的%30接近,所以运放数据手册所给出的增益带宽积是在增益G = 1,衰减为%30信号幅值条件下给出的。
如果我们增大增益,会提前出现%30的衰减现象。
所以我们在选择运放的时候,运放增益积要大于 一个值
G = K * 输入频率 * 增益放大倍数,k值一般取10。
比如输入频率为10Khz,增益放大倍数为100,那么所需要的运放增益带宽积应该为10M。
OPA2350的增益带宽为38MHZ,满足设计要求,像LMV358,它的增益带宽仅为1Mhz,满足不了这个设计要求。
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8、共模增益
1.使用基本差分成大电路。
2.两个输入端输入相同的电压,输入零差模信号,观察输出信号。
3.注意频率对共模增益的严重影响。
这是OPA2350的数据手册里面的共模抑制比数据图
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在直流或者低频信号的时候,它的共模抑制比很大,随之频率增加,共模抑制比迅速减小。
我们输入电压范围为0 – 2V,一开始设置频率为1MHz,将示波器改为交流耦合,来测输入相同电压时运放的输出波形
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幅值为16uV左右,数据手册表明,随着输入信号频率的增加,共模抑制比减小。
共模抑制比 = 输入的共模电压/运放输出电压;
现在我们增大输入信号的频率,改为5Mhz,再来看输出波形
幅值变为13uV左右
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这里是我不理解的地方,按照数据手册上,输入信号的频率增大的时候,共模抑制比应该是减小,但是我测得输出是增大的
以上就是运放几个参数的分析过程。
可能有不对的地方,希望各位大牛指教,谢谢。
  
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21小跑堂 打赏了 50.00 元 2022-01-05
理由:恭喜通过原创文章审核!请多多加油哦!

tianxiongweitxw| | 2021-12-27 20:22 | 显示全部楼层
第二点有误,减小输入失调电流的影响,应该减小输入端对地的电阻,而不是减小反馒电阻

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tianxiongweitxw 2021-12-28 16:30 回复TA
输入失调电流也不是这样能测量出来的。可以百度一下。 
woai32lala 2021-12-27 22:52 回复TA
放大器的同相输入端已经接地了,还怎么减小输入对地的阻抗?我当初想的是减小失调电压对失调电流的影响,使增益变小,这里是1/1000 
microcontroller| | 2022-1-5 15:17 | 显示全部楼层

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