十问十答带你实战运算放大器设计

本文主要讲了一下关于运算放大器设计的一些知识，希望对你的学习有所帮助。

Q1：OPA内部是怎样构成的?

“就是一堆晶体管”

- 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)<=运放带宽

-开关增益

-电压噪声密度

-耗电要求

-工作电压

-输入输出特性