老司机十问十答 带你实战运算放大器设计

Q1：OPA内部是怎样构成的？

   “就是一堆晶体管”

   （参考lm358 diagram）

- 包含输入级，中间放大级和输出级。基于应用的话，不用特别关注内部的结构。

- 同相端和反相端输入地方有等效二极管，就是所谓的ESD保护。一般运放内部都会做。输出端也有。但是因为做在芯片内部，所以能力有限，即最大通过瞬间电流有限。

 

提示：芯片级的ESD等级和产品级的ESD等级完全是两码事，遵循的不是一个规范。

芯片规格书上，ESD指标虽然写着2kV ，应用到实际产品上，如果打2kV静电上去，是无法承受的。产品ESD遵循的是IEC61340的标准。所以，设计过程中，想要通过选择自身ESD高的芯片去防止浪涌，是不可取的。

所以一般芯片，用静电枪直接打管脚，能承受400v静电的已经算顶尖芯片了。有的芯片会直接标机器模式，通常就是400v和200v这样的值了。

 

Q2:OPA常用封装有哪些？

常见1/2/4路，常用封装基本都兼容。

 

小提示：设计时候尽量选通用封装，否则很容易是Single Source（独一物料，市面上没有兼容的），结果就是被供应商绑架。

日系的很多封装尺寸很怪异。跟欧美系的很多封装不一样。所以选日系芯片的时候，留个心眼，一不小心，就是single source了。

Q3：OPA都有哪些作用？

• 放大小信号（或缩小大信号）

• 阻抗匹配

• 信号隔离：例如跟随放大器

• 滤波（低通，高通，带通滤波等）：一阶滤波用的比较多，提示，网上小工具可以用来计算参数。

• 驱动：可以驱动音响，驱动视频设备伽马线，这些应用都要求瞬间输出电流很大。

    - 运放驱动长线：线约长，分布电容越大，运放驱动容性负载，会产生震荡

• 做小功率电源

  - 一般运放输出20-30mA，跟I/O口差不多。

  - 有些特殊运放能够输出1-2A比较大电流的，可以当做小功率电源用，很干净。但是不能做基准源，因为精度不够。

Q4：OPA怎样供电？

- 引用业内资深专家：如果一个运放都不舍得用LDO供电，还指望谈稳定性？

- DCDC都不可以，最好尽量是LDO，最次也得7805。

Q5：OPA都有哪些类型？

• 超低功耗运放（Nano Power OPA）：几百nA

• 低功耗运放（Micro Power OPA）：

• 高速运放（High Speed OPA）：重点两个参数：增益带宽积（GBP）和压摆率（SR）

• 高精度运放（High Precision OPA）：重点两个参数：Vos失调电压（低于采样电压的一半），温漂

• 低噪声运放（Low Noise OPA）：常用于脑电波，心率，脉搏等小信号采集

• 差分放大器（Fully Differential OPA）：输入共模抑制比足够大（有人拿高精度运放当做差分放大器，为了节省成本，但是效果不行。）

• 功率放大器（Power OPA）：功放驱动

• 音频放大器（Audio OPA）：

• 仪表放大器（Instrumentation OPA）：共模抑制比很高。配合专门电路，能够有效去除共模干扰。

• 其他专用型放大器

Q6：OPA常用的参数有哪些？

• 输入失调电压（Input Offset Voltage） Vos

• 输入失调电压的温漂（Offset Voltage Drift）：对Vos的补充

• 输入偏执电流（Input Bias Current)IB：

• 输入失调电流（Input Offset Current）Ios：是IB的补充

• 共模电压输入范围（Input Common-Mode Voltage Range）Vcm：运放在某个供电下，同相端和反相端给到的最大信号范围。

• 输出特性（Output Characteristic）

• 输出电流限制（Output Current Limit）：关注这个参数，主要因为，有些应用要求输出电流尽量大，比如输出线很长（跳线连接两个系统）或者 负载输入阻抗很小。

小提示：如果用长线链接两个系统，输出要串个电阻：1）来限流。2）防止热插拔瞬间的浪涌 。

ESD和浪涌的区别。

1） 浪涌持续的是毫秒级，ESD静电只持续微秒或者纳秒级别。

2） 浪涌一般示波器可以抓下来。ESD静电一般示波器是看不到的。

• 工作电压范围 VDD

• 静态工作电流（Quiescent Current）Iq

• 增益带宽积（Gain Bandwidth Product）GBP：对交流信号非常重要 ，直流信号可以不用关注太多。

• 压摆率（Slew Rate）SR：GBP大，意味着SR大；SR值用来反映跳变沿快慢的。

• 开环增益（Open-Loop Voltage Gain）Aol：常见120db；这个值越大，留给设计放大倍数的余量越大。也是交流特性，跟频率密切相关。

• 电压噪声密度（Voltage Noise Density）en：

• 相位裕度（Phase Margin）：越大越好，越稳定

• 共模信号抑制比（Common Mode Rejection）：反映了对共模干扰信号的抑制能力，值越大越好。

• 电源纹波抑制比（Supply Voltage Rejection）：反映了对供电端噪声的抑制能力，值越大越好。

Q7：三极管放大能代替运放放大吗？

• Yes：运放内部本身就是一堆晶体管的集成，音乐发烧友所推崇的所谓“胆机”，很多就是用分立的晶体管、电子管所设计。

• No：但是三极管参数一致性差，放大电路批量生产良率低，需要微调参数，生产工艺麻烦。

Q8：什么是轨至轨运放？

轨（Rail）指的是供电电压

共模输入电压（Common Mode Input Voltage）范围“包含（超过一点）”供电电压，即所谓轨至轨输入。

输出电压范围“包含（几乎达到）”供电电压，即所谓轨至轨输出。

 

Q9：运放可以用作比较器么？

Yes：

大部分运放是可以再开环下工作的

No：

-有一些运放的同相输入与反相输入之间有嵌位二极管（差分二极管保护），用作比较器时（压差超过0.7v）会导致其中一个嵌位二极管导通，（如果源输入阻抗很低，可以供的电流很大）从而有大电流流过，甚至烧坏芯片。

（看差模输入电压范围，这个参数大，说明没有嵌位二极管。可以用。）

-反应速度慢，即使高速运放，也不够快。

-稳定性不佳，过载饱和时恢复时间长。

- 输出无法真正到轨

输入级由于补偿电路作用，可以超过供电轨，但是输出级由于晶体管的导通内阻，无法真正到轨，会有几mV~几十mV的差距。

 

- 输出误差和带负载阻抗相关:负载大,输出小，负载很重，输出到电源轨的差距就很大

Q10：怎样选择合适的运放？

直流信号：

- 确定信号具体特性：信号范围，精度。确定好这些参数，甚至就可以直接联系FAE来帮助选型。

- 输入失调电压（Vos）：根据信号最小值，来决定，通常取最小信号值的二分之一以内。例如，最小信号值是1mV，那就需要尽量选择Vos在0.5mV以内的。所有的运放都会给出该参数。着重看最大值，而不是典型值。

- 温漂：看产品输出地点，环境温度可能不同。

- 输入失调电流：如果传感器带载能力很差，即输出阻抗很高，输出电流小。对运放的输出失调电流就有要求了，要求输入运放的电流小，这样对原信号的分压就小。

- 耗电要求

- 工作电压范围

- 输入输出特性： 是否轨对轨的？还是非轨对轨。

 

交流信号

-    交流信号的具体特性

-    增益带宽：待处理信号频率X放大倍数 X系数（一般取5-10）<>

-    开关增益

-    电压噪声密度

-    耗电要求

-    工作电压

-    输入输出特性

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