如何快速在幾百幾千個型號中選擇你想要的運放?運放的數(shù)據(jù)手冊茫茫多的參數(shù)怎么快速定位對你有用的參數(shù)?我們通常會覺得運放是“最簡單”的模擬芯片,然而在應用中卻經常遇到許多麻煩。本章內容首先分別以運放的參數(shù)為步驟討論如何快速選擇你想要的運放,然后以幾個典型應用為例進行分析。
1、Supply Voltage Range (Vcc)
選擇你所需要的運放首先看運放的供電電壓,對于運放而言,并無絕對的單電源供電或雙電源供電的說法,只要供電電壓在spec以內運放就可以正常工作。一般工業(yè)中常見運放供電高壓為36V,低壓為5.5V。(還有40V,24V,20V,12V電壓等級等等)
2、Input Common Mode Voltage Range(Vcm)
其次明確Vcm即輸入端對地的電壓。對于(RRIO)到軌運放而言,Vcm超spec可能會導致輸入對Vee/Vcc的ESD保護管導通過流失效,對于芯片是不希望ESD導通的,即使導通也需要限制其電流而在輸入端加限流電阻。對于非到軌運放,Vcm超spec會導致運放工作在非線性區(qū),具體工作異常模式要看芯片內部設計架構。
(另外,如輸入為差分信號,需關注Differential Input Voltage Range)
以上兩點是初步選擇運放最基礎的兩點。接下來討論基于不同應用應該如何對運放參數(shù)適當選擇?主要討論以下幾個參數(shù):Input Offset Voltage (Vos),Phase Margin,Open-Loop Voltage Gain (Aol),Output Short-Circuit Current(Isc)。
3、Input Offset Voltage (Vos)
第一篇文章介紹了Vos的基本概念和對運放的影響,簡單來說就是當你放大100倍的時候,一個Vos為1mV的運放,到輸出會帶來100mV的誤差。綜合考慮全溫度范圍內的Vos以及全溫度范圍內的電阻精度誤差來確定所選運放是否滿足系統(tǒng)進精度要求。例如運放用于采樣基準電壓輸出給ADC的REF;shunt 電流采樣等。
4、Phase Margin
對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的理解,最直觀的體現(xiàn)就是波形出現(xiàn)震蕩。第二章介紹了如何計算系統(tǒng)的傳遞函數(shù),當系統(tǒng)相位裕度為20°時,輸出的超調量高達55%,輸出震蕩。相位裕度低,從時域來看整個環(huán)路當中存在“延時”,使輸出不能及時反饋給輸入造成震蕩。因此當整個環(huán)路中存在較多RC 、C(有些RC是隱形的,比如環(huán)路里有MOS管,MUX等)就需要選擇phase margin較大的運放,如果數(shù)據(jù)手冊沒有標注,可以通過Aol與phase margin的Bode 圖直接觀察,對應增益為1 放大倍數(shù)為0dB處對應的相位裕度與-180度的距離。
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(有些數(shù)據(jù)手冊沒有Phase Margin vs Capactive Load曲線)
5、Open-Loop Voltage Gain (Aol)
運放正常工作的條件是處于深度負反饋狀態(tài)。可以認為在同樣的應用場合,運放的Aol越大,越接近理想狀態(tài)。即除誤差外,Aol越大,輸出值越接近應用者所期望值。
進一步理解Aol對系統(tǒng)的影響: buffer電路,假使給同相端一個基準電壓,輸出端串聯(lián)的電阻Ro有瞬變激勵信號產生。此時運放的反向端與輸出端應該是什么狀態(tài)?理想情況下,同向與反向端一致,而輸出跟隨反向端都是維持穩(wěn)態(tài)基準電壓不變。這種情況下,Aol越大,運放的響應速度越大,輸入能夠保持一致的能力越強。
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6、Output Short-Circuit Current(Isc)
繼續(xù)討論上述案例,Ro上激勵信號的能量不會平白消失,這部分能量需要運放去拉住。這需要看運放輸出電流的sink能力。另外評估運放驅動負載能力也是看Isc。數(shù)據(jù)手冊中也會有Supply Voltage-Isc 與Output Voltage-Isc 的曲線圖。
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總的來說,運算放大器的應用場景非常多,從普通的跟隨電路,放大電路,到各種濾波器電路,變化多樣,歸根結底還是要結合實際系統(tǒng)應用的需求來選擇適合的器件。
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