如何选择合适的运放芯片

1、运放芯片的用途

运放芯片可以做信号放大、数学运算(加法运算、减法运算、微分、积分等)、比较器、波形发生器等电路应用。其产品用途包括：LED照明、便携式数码产品、扫地机器人、储能设备充电器、医疗设备、工业仪器、航天通讯设备等。

2、运放的参数介绍

运放的主要参数包括：直流参数和交流参数

直流参数：输入失调电压、输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂)、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压

交流参数：开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗

由于运放的参数比较多，这里我们主要介绍一些比较重要的参数(这里说的重要并不是其他没有介绍的参数就不重要，主要还的看实际应用场景)

(1)输入失调电压

输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在±1~10mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，输入失调电压一般低于1mV。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标

(2)输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）ΔVos/ΔT：

输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃

(3)输入偏置电流iOS：

输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。

(4)输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）Δios/ΔT：

在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。 它是指II0在规定工作范围内的温度系数，也是衡量运放受温度影响的重要指标，通常约为（1～50）nA/C，高质量的约为几个pA/C。

(5)最大共模输入电压Vcm：

最大共模输入电压定义为，当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB 是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。

(6)共模抑制比CMRR：

共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入中的共模干扰信号。由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80~120dB之间

(7)电源电压抑制比PSRR：

电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放输入失调电压随电源电压的变化比值。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。对于电源电压抑制比低的运放，运放的电源需要作认真细致的处理, 否则电源的纹波会引入到输出端。当然，共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压抑制比，另外在使用双电源供电时，正负电源的电源电压抑制比可能不相同。

(8)输出峰-峰值电压Vout：

输出峰-峰值电压定义为，当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前大电源电压供电时，运放能够输出的最大电压幅度。除低压运放外，一般运放的输出输出峰-峰值电压大于±10V。一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的，现代部分低压运放的输出级做了特殊处理，使得在10千欧姆负载时，输出峰-峰值电压接近到电源电压的50mV以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）运放。需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载有关，负载不同，输出峰-峰值电压也不同；运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用，输出峰- 峰值电压越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。

(9)输入阻抗Rin:

输入阻抗反映输入对运放性能的影响，一般选择运放时输入阻抗越大越好。

(10)输出阻抗Rout:

输入阻抗反映运放输出端带负载能力，越小越好。

(11)开环增益Av：

开环条件下运放能达到的最大增益

(12)开环带宽:

开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。这用于很小信号处理。

(13)单位增益带宽GBW:

单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降 3db（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。注意:单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这项参数用于小信号处理中运放选型。

(14)压摆率（转换速率）SR：

运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。注意:转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运放转换速率SR<=10V/μs，高速运放的转换速率SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率SR达到 6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。

(15)全功率带宽：

在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。

3、根据自己的设计需求确定运放的关键参数

前面我们介绍了运放的一些参数，接下来我们用一个实际的应用电路设计来分析确定运放的关键参数。  

(1)、下图是一个充电器充电电流检测和充电状态指示电路

英锐芯LM358做比较器检测充电电流大小，并控制相关LED灯指示充电状态

在设计这个电路之前我们要考虑那些参数呢？

1、要确定该充电器的输出电压大小以及波动幅度 

参数1决定我们选择运放的耐压以及运放的电源电压抑制比

2、要确定充电器的最大充电电流和电池充满状态时的最小充电电流

参数2是该电路考虑的重点，我们要根据最大充电电流和最小充电电流参数选择合适的电流采样电阻(电阻的阻值、功率、误差等)。另外根据最小充电电流，我们要确定比较器应用中的参考电压。如果我们要求电池充满状态的电流比较小，那么在充满状态时采样电阻上面产生的压降就会很小，这就要求比较器的参考电压也要必须小，这样我们就必须考虑运放的输入失调电压大小，如果运放的输入失调电压高于我们设定的比较器参考电压，那么就会出现在充电状态误指示的情况。 

通过上面的分析我们可以知道：我们要选择合适的芯片，首先要弄清楚自己功能电路有那些要求以及该电路的工作条件，然后再根据要求和条件确定我们所要选择的运放的参数，根据运放脚位设计原理图，通过计算确定运放外围电路的具体参数。最后再进行审核优化。我们上面的原理图其实存在一些缺陷，比如比较的参考电压是VCC通过电阻分压得到的，如果说VCC有波动，那么参考电压也会波动，这样就会导致还没有到电池充满状态，指示灯也转灯或者灯会闪烁的情况。

审核编辑 黄宇