运放入门笔记

1 运放的组成

1.1 外部组成

1、+同相输入端

2、-反相输入端

3、Out输出端

1.2 内部组成

1、输入级

2、中间放大级

3、输出级

2 运放的作用

1.1 放大小信号

1.2 阻抗匹配

1.3 信号隔离

1.4 构成滤波器

1.4.1 低通滤波器

1.4.2 高通滤波器

1.4.3 带通滤波器

1.5 驱动

1.6 小功率电源

3 运放的供电

3.1 采用LDO供电

推荐选择LDO，因为LDO供电质量较好，可以比DCDC模块减少电源纹波

1、单电源供电

正电压芯片例如：LM2575

2、双电源供电

负电压采用电荷泵芯片例如：SGM3204

3.2采用DCDC模块

供电电源纹波较大推荐用LDO

4 轨对轨运放的概念

轨指的是 供电电压 ，输入/输出 “包含“供电电压即所谓的轨对轨输入/输出（输出无法真正做到轨对轨：输入由于补偿电路的作用可以超过供电轨，但是输出级由于晶体管导通内阻无法做到完全轨对轨有几mv～几十mv差距。）

5 分析方法

5.1 闭环情况下分析方法

5.1.1 虚短

负反馈环路下， 同相输入端与反相输入端电压基本相当 ，像短路似的，即所谓的虚短，但物理层面上并非真的短路

5.1.2 虚断

负反馈环路下， 同相输入端与反相输入端输入的电流非常小 ，通常都在nA级以下（常用运放多是pA级）像”断开“似的，即所谓的虚断，但物理链路上还是连着的

5.2 开环情况下分析方法

开环情况下只有做比较器时虚断概念还可以适用的比如可以理解为做比较器时流经运放点电流为零

6 常用参数

6.1 直流参数

6.1.1 输出失调电压 Vos

将运放的两个输入端接地，理想运放输出为零。但实际运放输出不为零。将输出电压除以增益得到的等效输入电压称为 输入失调电压 。

一般定义为运放输出为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。该值反映了运放内部电路的对称性， 对称性越好，输入失调电压越小 。

Vos越小，芯片价格就越贵。

规格书上一般给出了1） 25c典型值； 2） 全温度值。 我们在选择运放的时候，还是要看 全温度的最大值。 因为我们很难预测产品用在什么情况下。所以为了保证worst case design。我们要选考虑Vos的最大值。

6.1.2 输入失调电压的温漂

又叫 温度系数TC VOS， 高精度的是几个nV/C，一般为几个uV/C

输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂） αVIO ：定义为在 给定温度范围内 ，输入失调电压的变化与温度变化的 比值 。

作为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输入失调电压漂移大小。

6.1.3 输入偏置电流 Ib

定义为当运放的****输出直流电压为零时，运放两输入端流进或流出直流电流的 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。

** IB 比较大，对原信号影响大，相当于对原信号有了个分压。**

一般是pA级，nA级。

上图是Ib和Vos的一个等效示意图。Ib是流向地的。Vos叠加在输入端的。Vos可能是正，也可能是负，正的话，就是在信号上叠加，负的话，就是在原信号上扣除。运放所谓的 线性 ，也是在扣除或者叠加Vos之后，表现出的特性。也可以从软件端扣除Vos的影响。

6.1.4 输入失调电流

是Ib的补充

输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值（同相端Ib与反向端Ib的差值）。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性， 对称性越好，输入失调电流电流越小 。

6.1.5 共模电压输入范围Vcm

运放两输入端与地建能加的共模电压范围Vcm“包括”正、负电源电压时为理想特性。

所谓“Rail to Rail Input”就是指输入共模电压范围十分接近电源轨，一般可以抵御 负电源轨而稍微抵御正电源轨

6.1.6 输出动态范围特性

即输出电压范围，所谓“Rail to Rail Output”即 轨对轨输出 ，输出Voh、Vol极为接近供电轨，会有几十mV的距离，也与负载有关。

6.1.7 输出电流特性

即运放的带载能力，一般会给出Sink、Source电流大小，也有运放只给出 短路时的极限电流 。这个参数，设计时候，要考虑最小值。

6.1.8 工作电压范围 ** Vdd**

总电源电压范围。 它是两个电源端之间的总电压 。例如，30V 的总电压范围为 ±15V。再如，某个运算放大器的工作电压范围可能为 6V 到 36V。在低压极端条件下，它可能为 ±3V 或者 +6V。 在高压极端条件下 ，它可能为 ±18V 或者 +36V，甚至是 -6V/+30V。

6.1.9 静态工作电流** Iq**

静态电流，是 运放不工作但是还上电时候 ， 所消耗的最小的电流， 一般需要省电的设备上，对这个有要求。

6.2 交流参数

6.2.1 增益带宽积** GBP**

单位增益带宽定义：运放的闭环增益为1倍条件下，讲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。 这个参数决定了 单级放大倍数 。

6.2.2 开环增益** Aol**

定义为当运放工作于线性区时，运放 输出电压与差模电压输入电压的比值 。

由于差模开环直流电压增益很大，大多数运放的差模开环直流电压增益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。

理想运放的开环增益为无穷大，实际运放一般在80dB – 150dB。

6.2.3 压摆率** SR**

也称转换速率，定义为：运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放输出端，从运放的输出端测运放的输出上升速率。

由于在转换期间，运放的输出端处于开关状态，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。

6.2.4 电压噪声密度 en

运放本身内部电路也有固有存在的噪声，氛围电压噪声和电流噪声。

通常规格书中以 nV/rtHz 和 pA/rtHz 来表示，也就是与频率相关的一个指标。

参数越小，运放自身引入到系统的噪声也越小。

做音频处理时候，会选择该参数小的，比如LMV721，LMV722（8.5nV/rtHz，1kHz以下）

6.2.5 相位裕度

简单地说裕量就是多余的量。

相位裕量是 分析运算放大器稳定性的一个重要参数 ，

相位裕量是指运算放大器 开环增益为0dB时的相位与180 ° 的差值 。

如果系统的环路增益大于等于0dB且相移超过180 ° 时，闭环的放大电路就会不稳定产生振荡，而相位裕量表明了距离产生自激振荡的裕量大小，这也是相位裕量成为标志运算放大器稳定性的一个重要参数的原因之一。

6.2.6 共模信号抑制比

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。 即在运放两端输入端与地间加相同信号时，输入、输出间的增益称为共模电压增益AVC，则CMRR = AV/AVC

共模抑制比是一个极为重要的指标， 它能够抑制共模输入的干扰信号 。值越大，运放能够抑制干扰的能力越强。也越贵。

6.2.7 电源纹波抑制比

定义为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 。即正、负电源电压变化时，该变化量出现在运放的输出中，并将其换算为运放输入的值。

若电源变化△Vs时等效输入换算电压为△Vin，则PSRR = △Vs/△Vin。

电源电压抑制比反映了 电源变化对运放输出的影响 。

高频对应PSRR值会变小，所以，一般考虑layout上，在运放电源管教附近加电容来滤掉电源中的高频噪声。

6.3 极限参数

6.3.1 ESD

人体放电 HBM

机器放电 MM

芯片自身放电 CDM

6.3.2 Supply Voltage 电源电压

6.3.3 Operating Temperature range工作温度范围

6.3.4 Input Voltage输入电压

6.3.5 Input current输入电流

6.3.6 Differential Input Voltage差动输入电压