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        運(yùn)算放大器工作原理及誤差分析

        作者: 時(shí)間:2012-02-18 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

        本文引用地址:http://www.antipu.com.cn/article/186912.htm

        全功率帶寬BW:全功率帶寬定義為,在額定的負(fù)載時(shí),運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下,將一個(gè)恒幅正弦大信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端,使運(yùn)放輸出幅度達(dá)到最大(允許一定失真)的信號(hào)頻率。這個(gè)頻率受到運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率的限制。近似地,全功率帶寬=轉(zhuǎn)換速率/2πVop(Vop是運(yùn)放的峰值輸出幅度)。全功率帶寬是一個(gè)很重要的指標(biāo),用于大信號(hào)處理中運(yùn)放選型。

        建立時(shí)間:建立時(shí)間定義為,在額定的負(fù)載時(shí),運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下,將一個(gè)階躍大信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端,使運(yùn)放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時(shí)間。由于是階躍大信號(hào)輸入,輸出信號(hào)達(dá)到給定值后會(huì)出現(xiàn)一定抖動(dòng),這個(gè)抖動(dòng)時(shí)間稱為穩(wěn)定時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間+上升時(shí)間=建立時(shí)間。對(duì)于不同的輸出精度,穩(wěn)定時(shí)間有較大差別,精度越高,穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。建立時(shí)間是一個(gè)很重要的指標(biāo),用于大信號(hào)處理中運(yùn)放選型。

        等效輸入噪聲電壓:等效輸入噪聲電壓定義為,屏蔽良好、無(wú)信號(hào)輸入的的運(yùn)放,在其輸出端產(chǎn)生的任何交流無(wú)規(guī)則的干擾電壓。這個(gè)噪聲電壓折算到運(yùn)放輸入端時(shí),就稱為運(yùn)放輸入噪聲電壓(有時(shí)也用噪聲電流表示)。對(duì)于寬帶噪聲,普通運(yùn)放的輸入噪聲電壓有效值約10~20μV。

        差模輸入阻抗(也稱為輸入阻抗):差模輸入阻抗定義為,運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),兩輸入端的電壓變化量與對(duì)應(yīng)的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容,在低頻時(shí)僅指輸入電阻。一般產(chǎn)品也僅僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管做輸入級(jí)的運(yùn)放的輸入電阻不大于10兆歐;場(chǎng)效應(yīng)管做輸入級(jí)的運(yùn)放的輸入電阻一般大于109歐。

        共模輸入阻抗:共模輸入阻抗定義為,運(yùn)放工作在輸入信號(hào)時(shí)(即運(yùn)放兩輸入端輸入同一個(gè)信號(hào)),共模輸入電壓的變化量與對(duì)應(yīng)的輸入電流變化量之比。在低頻情況下,它表現(xiàn)為共模電阻。通常,運(yùn)放的共模輸入阻抗比差模輸入阻抗高很多,典型值在108歐以上。

        輸出阻抗:輸出阻抗定義為,運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí),在運(yùn)放的輸出端加信號(hào)電壓,這個(gè)電壓變化量與對(duì)應(yīng)的電流變化量的比值。在低頻時(shí)僅指運(yùn)放的輸出電阻。這個(gè)參數(shù)在開(kāi)環(huán)測(cè)試。

        3. 的對(duì)信號(hào)放大的影響和運(yùn)放的選型
        由于芯片型號(hào)眾多,即使按照上述辦法分類,種類也不少,細(xì)分就更多了,這對(duì)于初學(xué)者就難免犯暈。本節(jié)力求通過(guò)幾個(gè)實(shí)際電路的分析,明確的對(duì)信號(hào)放大的影響,最后總結(jié)如何選擇運(yùn)放。

        CA3140的主要指標(biāo)為:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓 μV 5000
        輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 8
        輸入失調(diào)電流 pA 0.5
        輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 0.005

        這樣可以計(jì)算出,在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 5000
        輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 0.0045
        合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 5000
        輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 2.5
        輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 5
        輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 20
        輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 50
        輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 500

        初步結(jié)論是:高阻運(yùn)放的輸入失調(diào)電流很小,它造成的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及輸入失調(diào)電壓造成的誤差,可以忽略;而輸入失調(diào)電壓造成的誤差仍然不小,但是可以在工作范圍的中心溫度處通過(guò)調(diào)零消除。

        這樣可以計(jì)算出,0~25℃的溫度漂移造成的影響如下:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 200
        輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 0.001
        合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 200
        輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.1
        輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.2
        輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.8
        輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 2
        輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 20

        初步結(jié)論是:高阻運(yùn)放的輸入失調(diào)電流溫漂很小,它造成的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差,可以忽略;在使用高阻運(yùn)放時(shí),由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大,造成的影響較大,使得它不適合放大100mV以下直流信號(hào)。若以上兩項(xiàng)誤差合計(jì)將更大。
        由于高阻運(yùn)放的輸入失調(diào)電流只有通用運(yùn)放的千分之一,因此若其它條件不變,僅僅運(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍,幾乎不會(huì)造成可明顯察覺(jué)的誤差。

        HA5159的主要指標(biāo)為:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓 μV 10000
        輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 20
        輸入失調(diào)電流 nA 6
        輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 60

        這樣可以計(jì)算出,在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
        輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 54.5
        合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 10054
        輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 5.0
        輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 10.1
        輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 40.2
        輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 100.5
        輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 1005

        初步結(jié)論是:輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流造成的誤差較大,但是可以在工作范圍的中心溫度處通過(guò)調(diào)零消除。其中輸入失調(diào)電壓造成的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輸入失調(diào)電流造成的誤差。

        這樣可以計(jì)算出,0~25℃的溫度漂移造成的影響如下:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
        輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 13.6
        合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 513

        輸入信號(hào)200mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.3
        輸入信號(hào)100mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 0.51
        輸入信號(hào) 25mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 2.05
        輸入信號(hào) 10mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 5.14
        輸入信號(hào) 1mV時(shí)的相對(duì)誤差 % 51.4
        初步結(jié)論是:在使用高速運(yùn)放時(shí),由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大,造成的影響較大,使得它不適合放大100mV以下直流信號(hào)。若以上兩項(xiàng)誤差合計(jì)將更大。

        若其它條件不變,僅僅運(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍,造成誤差如下:
        這樣可以計(jì)算出,在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
        輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 109
        合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 10109
        這樣可以計(jì)算出,0~25℃的溫度漂移造成的影響如下:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
        輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 27.3
        合計(jì)本項(xiàng)誤差為 μV 527
        初步結(jié)論:僅僅運(yùn)放的外圍電阻等比例增加一倍,運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差不變,而輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以,對(duì)于高阻信號(hào)源或是運(yùn)放外圍的電阻較高時(shí),輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差會(huì)很快增加,甚至有可能超過(guò)輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差,所以這時(shí)需要考慮采用高阻運(yùn)放或是低失調(diào)運(yùn)放。

        低功耗運(yùn)放LF441的主要指標(biāo)為:
        項(xiàng)目 單位 參數(shù)
        輸入失調(diào)電壓 μV 7500
        輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 10
        輸入失調(diào)電流 nA 1.5
        輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 15

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