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小信号放大应用中运放选择的关注点

在运放选型中,一些常用的指标选择比较简单,例如根据自身供电选择供电电源、根据增益及带宽选择增益带宽积(GBW)、根据精度要求选择等效输入噪声电压/电流、根据空间选择封装等等。


但是在一些小信号放大电路中,还有一些比较精细的指标需要仔细分析对比。


1. 几种相关指标的定义


这里主要说说运放的失调电压、失调电流、偏置电流、输入阻抗以及输入级(定义主要参考ADI技术资料MT-035、MT-037、MT-038等)。


1.1. 失调电压:


理想状态下,如果运算放大器的两个输入端电压完全相同,输出应为0 V。实际上,还必须在输入端施加小差分电压,强制输出达到0。该电压称为输入失调电压Vos。输入失调电压可以看成是电压源Vos,与运算放大器的反相输入端串联,如图所示。



1.2. 偏置电流


理想情况下,并无电流进入运算放大器的输入端。而实际操作中,始终存在两个输入偏置电流,即IB+和IB-。



1.3. 失调电流


“输入失调电流”IOS是IB–和IB+之差,即IOS = IB+ ? IB–。


1.4. 输入阻抗


电压反馈(VFB)运算放大器通常具有差模和共模两种指定的输入阻抗。


共模输入阻抗数据手册中的规格参数(Zcm+和Zcm–)是从任一输入至地(不是从两者至地)的阻抗。差分输入阻抗(Zdi-)是指两个输入之间的阻抗。这些阻抗通常是电阻性的,且阻值较高(105至1012 Ω),还有一些并联电容(通常为几pF,有时可高达20至25 pF)。大多数运算放大器电路中,反相输入阻抗都通过负反馈降至极低值,起重要作用的只有Zcm+和Zdiff。


1.5. 运放输入级


双极性晶体管(BJT)输入,输入级使用双极性晶体管,其特性如下:


场效应晶体管(FET)输入,输入级场效应管,其特性如下:


2. 选型分析

当进行小信号放大(电压信号)时,必须根据信号源的幅值和输出阻抗来进行选型。


2.1. 失调电压Vos

在某些应用中,信号源的幅值很低,例如1mV。而很多运放的失调电压接近大于1mV,例如将1mV信号源输入到-1mv失调电压的运放,放大后的输出信号0V。


因此,当信号源幅值很低,必须首先考虑运放的Vos。如果Vos跟被测信号幅度差不多,甚至更大,则放大后的信号幅值会远远偏离预期。虽然这个偏置可以通过调零电路来调,但是Vos较大运放,Vos随温度的漂移也会较大,还是会给测量精度带来很大影响。


此时,选择BJT输入级比较合适(Vos相对小)。


2.2. 输入阻抗


理想运放输入阻抗无穷大,信号源可以完全被放大器放大。但是实际运放的输入阻抗是个有限值。对于电压反馈型运入,输入阻抗主要由输入级的决定,一般BJT输入级的运放。的共模输入阻抗会大于40MΩ。差模输入阻抗大于200GΩ。对于JFET和CMOS输入级的运放,输入阻抗要大的多。


如果信号源的阻抗较大,例如1MΩ,运放输入阻抗是40MΩ,那么由于分压作用,实际输入到运放的信号幅度降低约2.5%。


因此,当信号源输出阻抗较大,选择FET输入级运放效果会更好;如果信号源输出阻抗较小,那么选BJT或者FET输入级都没问题。


2.3. Ib、Ios


当信号源输出阻抗较大,会存在较大的热噪声,偏置电流流经信号源的输出阻抗会产生电压噪声。

所以当信号源输出阻抗较大,选择FET输入级比较合适。


2.4. 确立主要矛盾


在实际的设计中,某些时候不同的项目适合的运放会产生冲突,例如小幅度大输出阻抗的信号源,考虑Vos需要选择BJT运放,考虑输入阻抗和Ib需要选择FET,那么就必须清楚哪个因素占主导地位,综合考虑实现总的误差最小。



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