运算放大器

<img src="http://adi.eetrend.com/files/2018-05/wen_zhang_/100011586-40953-pingmuk…; alt="">

<strong>简介</strong>

即使是考虑到运放所有的已知及未知阻抗负载，运算放大器的输出中始终含有无法基于输入信号和完全已知的闭环传递函数进行预测的信号。这种不确定信号被称为噪声。导致噪声产生的因素可能是放大器电路本身，可能是其反馈环路中使用的元件，也可能是电源，噪声也可能从附近（或较远的地方）的噪声源耦合或感应至输入、输出、地回路或测量电路之中的。

<strong>作者：David Guo</strong>

运算放大器通常用于在工业流程控制、科学仪器和医疗设备等各种应用中产生高性能电流源。《模拟对话》1967年第1卷第1期上发表的“单放大器电流源”介绍了几种电流源电路，它们可以提供通过浮动负载或接地负载的恒流。在压力变送器和气体探测器等工业应用中，这些电路广泛应用于提供4-mA至20mA或0-mA至20-mA的电流。

图1所示的改进型Howland电流源非常受欢迎，因为它可以驱动接地负载。允许相对较高电流的晶体管可以用MOSFET取代，以便达到更高的电流。对于低成本、低电流应用，可以去除晶体管，如《模拟对话》2009年第43卷第3期“差动放大器构成精密电流源的核心”所述。

这种电流源的精度取决于放大器和电阻。本文介绍如何选择外部电阻以最大程度减少误差。

<strong>作者：Eric Modica和Michael Arkin</strong>

<strong>简介</strong>

ADI公司的精密和高速运算放大器产品线具有悠久的创新传统。有些创新旨在降低功耗，同时保持甚至改善速度和噪声性能；有些创新旨在通过降低失调、热漂移、电源抑制和共模电压变化来提高精度。

此外，最近的创新已经开始关注与放大器正常工作无关的环境因素。实例包括在放大器前端中集成电磁干扰(EMI)抑制和过压保护(OVP)特性。

抑制外部噪声源包括消除距离很近的开关器件或无线通信信号(来自WiFi、手持式无线电和手机等移动通信设备)的电磁与射频干扰的影响。EMI滤波元件的集成和规格已成为许多放大器设计的一个特性，ADI公司对此非常积极。同样，保护运算放大器输入端免受高于正供电轨或低于负供电轨的电压影响也是这种创新的一个目标。

<strong>作者：James Bryant</strong>

<strong>简介</strong>

比较器是一种带有反相和同相两个输入端以及一个输出端的器件，该输出端的输出电压范围一般在供电的轨到轨之间。运算放大器同样如此。

<center><img src="http://adi.eetrend.com/files/2018-02/wen_zhang_/100010397-36029-pingmuk…; alt=""></center>

比较器具有低偏置电压、高增益和高共模抑制的特点。运算放大器亦是如此。

模拟电路设计师在设计放大器时，为了使其稳定，煞费苦心。然而在真实世界中，总是有很多情况引起放大器振荡——

不同类型的负载可能使放大器振鸣；

设计不当的反馈网络可能引起不稳定性

电源旁路不够充分也可能引起问题

输入和输出作为单端口系统也还可能自振荡；……

为了解决这些问题，今天我们将同大家共同探讨振荡的常见原因以及补救方法。

<strong>基础知识</strong>

图 1a 显示了一个非轨至轨放大器的方框图。输入控制 gm 方框，gm 方框驱动增益节点，并在输出端得到缓冲。补偿电容器 Cc 是主要的频率响应组件。Cc 的返回引脚应该接地，如果有这样一个引脚的话；但是运算放大器传统上不接地，电容器电流会返回一个或两个电源。图 1b 是最简单的轨至轨输出放大器的方框图。输入方框 gm 的输出电流通过“电流耦合器”发送，这将驱动电流分成两部分，提供给输出晶体管。频率响应由两个 Cc/2s 决定，二者实际上是并联的。

<strong>输入失调电压定义</strong>

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1所示。

<center><img src="http://adi.eetrend.com/files/2017-12/wen_zhang_/100009384-31699-pingmuk…; alt="典型的运算放大器输入失调电压"></center>

<center>图1：典型的运算放大器输入失调电压</center>

我们已经指出，噪声比一些较大噪声源少三分之一至五分之一的任何噪声源都可以忽略，几乎不会有误差。此时，两个噪声电压必须在电路内的同一点测量。要分析运算放大器电路的噪声性能，必须评估电路每一部分的噪声贡献，并确定以哪些噪声为主。为了简化后续计算，可以用噪声频谱密度来代替实际电压，从而带宽不会出现在计算公式中(噪声频谱密度一般用nV/√Hz表示，相当于1 Hz带宽中的噪声)。

如果考虑下图1中的电路——由一个运算放大器和三个电阻组成的放大器(R3代表节点A处的源阻抗)，可以发现六个独立噪声源：三个电阻的约翰逊噪声、运算放大器电压噪声和运算放大器各输入端的电流噪声。每个噪声源都会贡献一定的放大器输出端噪声。噪声一般用RTI来规定，或折合到输入端，但计算折合到输出端(RTO)噪声往往更容易，然后将其除以放大器的噪声增益(非信号增益)便得到RTI噪声。

<strong>运算放大器输入电压噪声</strong>

本教程讨论运算放大器内部产生的噪声，而不是因磁耦合和电耦合而拾取的外部噪声。虽然尽可能降低这种外部噪声也很重要，但本部分仅考虑运算放大器内部噪声。运算放大器内部有数个噪声源(电阻噪声、电流噪声和KT/C噪声等)，但建模时习惯将这些噪声源放到外部，视为一个以差分形式出现在两个输入端上的电压噪声源和两个电流噪声源，每个输入端各一个。这三个噪声源位于理想的“无噪声”运算放大器之外。简单的电压噪声运算放大器模型如下面的图1所示。三个噪声源实际上并不相关(互不影响)。两个噪声电流之间存在细微关联，但不足以在实际噪声分析时加以考虑。除这三个内部噪声源之外，还必须考虑与运算放大器配合使用的外部增益设置电阻所产生的约翰逊噪声。

<strong>产品特性</strong>

轨到轨输入/输出

低功耗：0.625 mA（±15 V，每放大器典型值）

增益带宽积：15.9 MHz（AV =100，典型值）

单位增益交越频率：9.9 MHz（典型值）

-3 dB闭环带宽：13.9 MHz（±15 V，典型值）

低失调电压：100 μV最大值 (SOIC)

单位增益稳定

高压摆率：4.6 V/μs（典型值）

低噪声：3.9 nV/√Hz（1 kHz，典型值）

长期失调电压漂移（10,000小时）： 3 µV（典型值）

温度迟滞：4 µV（典型值）

<strong>产品特性</strong>

低失调电压：60 μV（最大值，25°C，8 引脚和 14 引脚 SOIC）

低失调电压漂移：1 μV/°C（最大值，8 引脚和 14 引脚 SOIC）

低输入偏置电流：1 nA（最大值，25°C）

低电压噪声密度：8 nV/√Hz（典型值，1 kHz）

大信号电压增益(AVO)：100 dB（最小值，全电源电压和工作
温度范围）

支持高于或低于供电轨电压 32 V 的输入过压保护

集成 EMI 滤波器
70 dB（1000 MHz 下的典型抑制）
90 dB（2400 MHz 下的典型抑制）

轨到轨输出摆幅
低供电电流：每个放大器 500 µA（典型值）

宽带宽
增益带宽积(AV = 100)：3.5 MHz（典型值）
单位增益交越(AV = 1)：3.5 MHz（典型值）
−3 dB 带宽(AV = 1)：6 MHz（典型值）

双电源供电
额定电压±5 V 至±15 V，工作电压±2.5 V 至±18 V

单位增益稳定
无反相