更换运算放大器时要考虑三个主要因素

本文的目的是在高层次上讨论在替换通用或精确电压反馈业务放大器时的三个考虑因素。这三个考虑因素包括:输入阶段拓扑结构、输出阶段拓扑结构和流程技术。其中每一个都有潜在的意想不到的后果,可能会影响操作放大器的性能或功能,或同时影响给定设计中的功能。

例如,输出级拓扑决定输出摆动范围,但也可能影响电路的稳定性,取决于开环输出阻抗,Z O .替换OP放大器时的其他重要考虑因素,例如背对背输入二极管、偏移电压漂移和输入偏置电流漂移,不在本文的范围之内,但我确实建议调查它们。

两个最常见的论坛放大输入阶段拓扑是传统的单输入对和互补输入对,如图所示。 图1 .图1a描述了由一对n-通道-n-通道(NPN)晶体管组成的输入阶段。这种拓扑结构通常具有输入共模电压范围,其中包括负电源电压,但可能仅延伸到正电源电压的1V或2V以内。作为对这一缺点的权衡,只有一个输入级晶体管对的OP安培具有相对恒定的偏移电压,因为晶体管本质上是很匹配的。

图1 单PNP晶体管对(A)和互补输入对(B)是常见的论坛放大输入阶段拓扑。

除了具有这种输入级的降低共模电压范围的器件之外,这些器件还可能受到相位倒置的影响,当输入共模电压超过线性输入共模范围时,会发生在一些操作电瓶中。在相位倒转时,输出电压向相反的钢轨摇摆.虽然有一些董事会一级的技术来防止这种情况的发生,但有一个更简单的解决办法:互补对输入阶段(图1b)。

这种拓扑结构有一对N通道金属氧化物半导体晶体管(在共模电压接近正电源电压时活动)和一对P通道金属氧化物半导体晶体管(在共模电压接近负电源电压时活动)。这种拓扑结构可以防止相位倒转,并将共模电压范围扩展到整个输入电源电压范围。

虽然这种拓扑结构扩展了输入共同模式的范围,但是在PMO和NMOS晶体管对之间的切换产生了偏移电压的"过渡区域",如图所示。 图2 .发生这种转变的共同模式电压和偏移电压变化的幅度将取决于OP放大器的设计和工艺技术。具有大偏移电压变化的设备通常不被认为有铁路到轨道的输入(RRI),但对于那些有匹配的输入级晶体管对的设备,数字校正技术或偏移调整通常有RRI。与偏移电压不同的规格--例如共模排斥比、带宽、噪声、转轮速率和开环增益--通常会降低NMOS操作区域的性能。

图2 补充输入对的输入阶段包括非RRI(A)、RRI(B)和RRI-TRMED(C)。

一个值得一提的拓扑是零交叉放大器。零交叉放大器使用内部电荷泵,只有一对输入级晶体管。充电泵内部提升装置的电源电压,例如1.8V,这确保了输入级晶体管对在整个供电电压范围(RRI)的线性操作,没有输入偏移电压过渡区域( 图3 ).

图3 零交叉操作放大器使用内部电荷泵和有一对输入级晶体管。

总而言之,在替换操作放大器时,要确保共模电压范围和输入级拓扑都与原装置兼容。

替换操作放大器时要考虑的第二个主要考虑是Z O .当驱动电容负载时,这变得尤为重要,因为z O 负载在操作放大器的循环增益曲线中创建一个极。这个极可以通过在反馈路径中添加延迟来引起稳定性问题,从而减少电路的相位边缘。

稳定电容负载最常见的解决方案之一是放置隔离电阻,R 伊索 ,在负载和版本放大电路之间。R 伊索 通过在传递函数中创建一个零来补偿极。零的位置(以及R的值) 伊索 )由Z决定。 O 但是。因此,不仅要了解Z的大小 O 以及频率的变化。 图4 描绘了各种Z O 曲线来说明这个概念。

图4 OPS显示了各种Z O 弯曲。

如果替换的操作放大器有不同的输出阶段--因此有不同的Z O 曲线-您可能需要调整补偿组件。

最后,工艺技术影响到许多的p放大规格,包括偏移电压、漂移、共模和输出摆动范围、输出电压相对于输出电压。输出电流(利爪曲线),噪声,和输入偏置电流.深入研究所有这些规范超出了本文的范围,但是一些规范突出了输入偏置电流和噪声。

双极放大器,或至少具有双极晶体管输入级的OP安培,与互补金属氧化物半导体(CMOS)放大器相比,具有相对较大的输入偏流。这是因为双极输入级OP安培的输入偏置电流取决于晶体管基流的大小,通常在纳米安培的范围内。

虽然在双极放大器中有减少输入偏置电流的技术--例如,输入偏置电流--CMOS放大器的输入偏置电流要小得多,通常在皮安培甚至飞安范围内,因为它们的输入偏置电流是由保护设备输入销的静电放电二极管的泄漏电流引起的。输入偏置电流规范对于在反馈网络中有大电阻的应用以及与高阻抗信号源接口时尤为重要。所以,如果你在其中一个应用中用双极放大器替换CMOS放大器,请小心。

除了输入偏置电流外,替换输出放大器时,还考虑输出放大器输入电压噪声密度曲线。该曲线以每平方根赫兹的纳米伏特相对于频率绘制噪声图。这个曲线有两个主要区域:1楼和宽带区域。1/F区域代表了低频噪声分量,它随着频率的增加而减小。宽带区域是频率较高的噪声,通常在频率上是恒定的。1楼"噪音角"是1楼区域向宽带区域过渡的地方。它通常被认为是一个优点,在比较论坛放大器噪音性能。一般而言,双极放大器的频率比CMOS放大器低1/F。 图5描述双极和CMOS放大器的输入电压噪声光谱密度曲线。

图5 对双极放大器和CMOS放大器的输入电压噪声谱密度进行了比较.

在更换操作放大器时,你也应该考虑宽带噪音和带宽的影响。例如,你可以很容易地用一个3NV/赫兹、50MHZ的运算放大器替换一个6NV/N2O赫兹、10MHZ的运算放大器,这似乎是合乎逻辑的。然而,如果设计中没有外部滤波--例如,输出上有一个RC滤波器--那么低噪音、宽带宽的输出放大器实际上比高噪音、低带宽的输出放大器贡献更多的噪音。

其他重要考虑

下一次你需要更换一个操作放大器时,一定要考虑更多的电压,包装和压平。例如,尽管两个装置可能有相同的共模电压范围,但它们可能有不同的输入级设计。根据原有的和替换的OP安培,这可能引入一个过渡区域,当输入信号接近正供应时,会导致性能下降。

类似地,两个OP安培可能有相同的输出摆动范围,但非常不同的开环输出阻抗图。在这种情况下,您应该模拟设计以确保足够的相位边缘。

接下来,用双极OPS来替换CMOSOPS(反之亦然)有过多的暗示。两个注意事项包括输入偏置电流和噪声.如果原设计在反馈网络中有较大的电阻,则与高阻抗信号源接口,或两者都有,则比较输入偏置电流图。

最后,在与带宽进行比较时,要小心。仅仅因为操作放大器有一个低频率的1楼噪音角或较低的宽带噪音,并不一定意味着它对信号路径贡献较少的噪音。