运算放大器的关键指标

运算放大器的关键指标

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_52856735/article/details/133603569

运算放大器（运放）是电子工程中一种重要的基本单元，广泛应用于信号处理、测量和控制系统中。其性能指标直接影响着电路的精度、稳定性和可靠性。本文详细介绍了运放的关键技术指标，包括失调和偏置、输入输出特性、带宽性能、噪声特性等，帮助读者全面了解运放的工作原理和应用要点。

一、失调和偏置指标

1. 输入失调电压

将运算放大器的输入短接，由于输入级两部分之间存在固有的失配，使得运算放大器输出不等于零，这种偏移称为输入失调电压。

影响：

当一个放大器被设计成倍闭环电压增益，如果放大器的失调电压为，则放大电路0输入时，输出存在一个等于的直流电平，此输出被称为输出失调电压。闭环增益越大，则输出失调电压也越大。

2. 失调电压漂移

当温度变化、时间持续、供电电压等自变量变化时，输入失调电压会发生变化。输入失调电压随自变量变化的比值，称为失调电压漂移。

失调电压漂移量，与数据手册上标注的失调电压（或称之为初始失调电压）本身有密切关系。初始失调电压小的，其漂移量也小。

在高精度、高稳定性要求的场合，选择漂移系数较小的放大器，比失调电压大小更为重要。

举例说明，一个失调电压为100µV的运放，它的温度漂移为2µV/°C，时间漂移是5µV/MO，

提高运放的工作温度10°C，就会出现新的20µV的失调，提高50°C，就会出现100µV的失调电压。

3. 输入偏置电流

实际运算放大器在它们的输入管脚都会吸收少量电流，使得运算放大器输入引脚电路与之间存在失配，将两电流的均值称为输入偏置电流。

影响

1. 当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时，过大的输入偏置电流会分掉被测电流，使测量失准。
2. 当放大器输入端存在电阻接地时，这个电流将在电阻上产生不小的输入电压。
3. 两输入端的极性相反，那么它们就有互为补偿的趋势。

为避免输入偏置电流对放大电路的影响，最主要的措施是选择较小的放大器。

4. 输入失调电流

运算放大器输入引脚电路与之间的差值称为输入失调电流。

影响

失调电流的存在，说明两个输入端客观存在的电流有差异，用外部电阻实现匹配抵消偏置电流影响的措施失效。

5. 易受失调和偏置影响的电路

失调电压和偏置电流以一种直流形式存在，最终结果是在运放的输出端出现不该有的直流分量。

（1）在多数交流耦合电路中，无需考虑失调和偏置此类影响。

（2）单级增益较大的交流耦合电路，需要注意失调和偏置会降低输出端的动态范围。

（3）在直接耦合电路中，特别是对直流精度要求较高的电路中——比如电子称，需要格外注意这些失调和偏置影响。

6. 运放电路外部电阻的选择

1. 高速运放电路，特别是电流反馈型运放，其外部电阻选择最好遵循数据手册建议，一般都比较小，1kΩ以下。实在找不到的情况下，以尽量减小电阻为宜。
2. 外部电阻越大，则工作时消耗功耗越小，发热也越轻，对运放输出电流的要求也越低。流压转换电路中，面对微弱电流必须选择很大的电阻。
3. 外部电阻越大，则运放偏置电流对输出失调的贡献越大。 外部电阻越大，则电阻本身产生的噪声越大。
4. 外部电阻越大，附近的杂散电容越不可忽视，它通常会导致上限截止频率降低。

二、输入电压范围

保证运算放大器正常工作的最大输入电压范围，也称为共模输入电压范围。

三、输出电压范围（）

在给定电源电压和负载情况下，输出能够达到的最大电压范围。或者给出正向最大电压VOH以及负向最小电压VOL——相对于给定的电源电压和负载，或者给出与电源轨（rail）的差距。

在没有额外的储能元件情况下，运放的输出电压不可能超过电源电压范围，随着负载的加重，输出最大值与电源电压的差异会越大。

输出电压范围，或者输出至轨电压有如下特点：

1. 正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致，但一般情况下数量级相同；
2. 至轨电压与负载密切相关，负载越重（阻抗小）至轨电压越大；
3. 至轨电压与信号频率相关，频率越高，至轨电压越大，甚至会突然大幅度下降；

四、共模抑制比

差模电压增益与共模电压增益的比值，用dB表示。运算放大器在单端输入使用时，不存在这个概念。只有把运放接成类似于减法器形式，使得运放电路具备两个可变的输入端时，此指标才会发挥作用。

影响电路共模抑制比的因素有两个，第一是运放本身的共模抑制比，第二是对称电路中各个电阻的一致性。

五、开环电压增益

运放本身具备的输出电压与两个输入端差压的比值，用dB表示。

越大的，说明其放大能力越强。

随频率升高而降低，通常从运放内部的第一个极点开始，其增益就以-20dB/10倍频的速率开始下降，第二个极点开始加速下降。

在特殊应用中，比如高精密测量、低失真度测量中需要注意此指标。在某个频率处实际的开环电压增益，将决定放大器的实际放大倍数与设计放大倍数的误差，也将决定放大器对自身失真的抑制，还将影响输出电阻等

六、压摆率

闭环放大器输出电压变化的最快速率。用V/μs表示。此值显示运放正常工作时，输出端所能提供的最大变化速率，当输出信号欲实现比这个速率还快的变化时，运放就不能提供了，导致输出波形变形。

例子：

设输出正弦波幅度为，频率，过零点变化速率，则

要想输出完美的正弦波，则正弦波过零点变化速率必须小于运放的压摆率，即

七、带宽指标

1. 单位增益带宽

运放开环增益/频率图中，开环增益下降到1时的频率。当输入信号频率高于此值时，运放的开环增益会小于1，即此时放大器不再具备放大能力。这是衡量运放带宽的一个主要指标。

2. 增益带宽积

运放开环增益/频率图中，指定频率处，开环增益与该指定频率的乘积。如果运放开环增益始终满足-20dB/10倍频，也就是频率提高10倍，开环增益变为0.1倍，那么它们的乘积将是一个常数，也就等于前述的“单位增益带宽”，或者“1Hz处的增益”。

3. -3dB带宽

运放闭环使用时，某个指定闭环增益（一般为1或者2、10等）下，增益变为低频增益的0.707倍时的频率。

4. 满功率带宽

将运放接成指定增益闭环电路（一般为1倍），连接指定负载，输入加载正弦波，输出为指标规定的最大输出幅度，此状态下，不断增大输入信号频率，直到输出出现因压摆率限制产生的失真（变形）为止，此频率即为满功率带宽。

八、建立时间

运放接成指定增益（一般为1），从输入阶跃信号开始，到输出完全进入指定误差范围所需要的时间。建立时间由三部分组成，第一是运放的延迟，第二是压摆率带来的爬坡时间，第三是稳定时间。

对运放组成的ADC驱动电路，建立时间是一个重要指标。

越大的，建立时间更小。

九、相位裕度和增益裕度

相位裕度定义：在运放开环增益和开环相移图中，当运放的开环增益下降到1时，开环相移值减去-180°得到的数值。

增益裕度定义：在运放开环增益和开环相移图中，当运放的开环相移下降到-180°时，增益dB值取负，或者是增益值的倒数。

相位裕度和增益裕度越大，说明放大器越容易稳定。

十、电源电压抑制比

如果将运算放大器的一个供电电压变化一个给定的值，那么就会改变内部晶体管的工作点，这通常会使输出发生一个微小的变化。

电源电压抑制比，其含义是运放对电源上纹波或者噪声的抵抗能力。随着电源电压变化频率的提升，运放对这个变化的抵抗能力会下降。

频率越高，运放对电源纹波或者噪声的抵抗能力越弱，这导致运放电路的输出端会出现电源上的不干净因素。旁路电容的作用就是滤除电源上的噪声或者波动，特别在高频处，更需要滤除。

十一、热阻和温度范围

热阻标准定义：是导热体阻止热量散失程度的描述，以1W发热源在导热路径两端形成的温度差表示，单位为℃/W。有以下常用的两种：

，是指芯片热源结(Junction)与芯片周围环境(Ambient)（一般为空气）的热阻。

，是指芯片热源结(Junction)与芯片管壳(Case)的热阻。

对芯片来说，导热路径的两端分别为自身发热体与环境空气。热阻θJA越大，说明散热越困难，其温差也就越大。

例子：

一个热阻θJA=150℃/W的芯片，说明其如果存在1W的热功率释放，则会在芯片内核和环境空气中形成一个150℃的温差。当确定热功率释放为，则

其中是芯片工作时，自身结温与环境温度的温差。如果此时环境温度为，则芯片结温为：

同样功耗情况下，具有不同热阻的芯片，热阻越大的，结温会越高。当结温超过了最高容许结温，芯片就可能发热损坏。

注意：

设计电路时，需要注意运放的发热功耗

公式：

发热功耗与输出功率相关，一般情况下，输出功率越大，会带来芯片本身发热功耗的增加。

十二、噪声

1. 噪声分类

（1）热噪声

在电阻和含寄生电阻的电容电感的无源器件中，电子的随机热运动产生热噪声。

（2）闪烁噪声（1/f，接触噪声）

存在于在无源和有源器件中，噪声幅度按1/f的斜率下降。有源器件是由于陷阱存在随机捕获和释放电荷。无源器件在流过直流电流时才产生。

（3）散粒噪声（输入电流噪声）

对势垒 (二极管，三极管) 的充放电都会产生散粒噪声。

2. 噪声分类

根据不同噪声在各个频段的分布规律，类比光谱可以将噪声分为purple (紫色噪声)，blue(蓝色噪声)，white (白噪声)，pink (粉红噪声)，red (红色噪声)。

• 白噪声:在整个频段(0-20KHZ)的功率分量都是均匀的。一般电视机无信号时的沙沙的背景噪声。
• 粉红噪声:在整个频段 (0-20KHZ) 的功率分量按 1/f 下降，即主要在低频，听起来比较悦耳。

3. 运放电路的噪声构成

• 总功率密度:为 6个噪声源的噪声功率密度之和。
• 采用恒流源加电阻形式，可方便得到 N 端的噪声电压为 3 个恒流源流经 R1//R2并联电阻之和，即enres^2= (R1\R2)^2*(IR1^2 +IR2^2 + In^2)。
• 总噪声合：
  注:在高放大倍数时，R1<<R2,则 R≈R1，噪声主要由 R1的阻值决定。

十三、运放增益带宽积计算与选择

GBW计算公式：

K计算公式（为通带内增益允许最大误差）

例子：设计一个放大电路，要求通带增益 10 倍，带宽 100kHz，带宽内增益波动不超过-0.2dB，选择合适的运放（只考虑增益带宽积）。

解：由题意得=10，即=1/10=0.1，=100kHz，=-0.2dB，则

根据值求出得

则增益带宽积至少为

十四、常用运放型号与性能

1. 低失调电压运放

2. 低噪声运放

3. 低偏置电流运放

在微弱电流检测中，低偏置电流很重要.

4. 低功耗运放

功耗：运放在不带负载 0 输入情况下电源耗电。而运放工作时的实际功耗，还与其外部电路，特别是负载有关。低功耗运放的频带都较窄。

5. 高速运放

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