运算放大器设计指南：从电源供电到参数优化

运算放大器设计指南：从电源供电到参数优化

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/qq_39376872/article/details/144102032

运算放大器（运放）是电子工程中常见的基础组件，广泛应用于信号处理、放大和滤波等场景。在设计运放电路时，电源供电、布局、阻抗匹配和放大方式选择等环节都至关重要。本文将从多个维度深入探讨运放电路设计的关键参数和优化方法。

一、电源供电

电源供电设计是运放电路中最关键的部分，通常需要加入去耦电容来提高电路稳定性。去耦电容的布局原则如下：

• 大的去耦电容（库电容）远离芯片
• 小的去耦电容（去耦电容或旁路电容）靠近芯片
• 让去耦电容器尽量靠近电源引脚
• 如果使用了多个去耦电容器，将最小的去耦电容器放在离电源引脚最近的位置
• V+和V-间接电容滤波，可减少偶数次高次谐波

1. 为什么大电容靠近电源，而小电容靠近IC电源引脚

在使用多个去耦电容器的电路设计中，通常会根据电容的大小和作用频率来决定其放置的位置。将最小的去耦电容器放在离电源引脚最近的位置，主要是基于以下几个原因：

• 小电容器（比如 0.1 µF 或 10 nF）具有较高的工作频率响应能力。它们能够有效地滤除较高频率的噪声和干扰。这是因为小电容器的阻抗随着频率的增加而迅速下降，在高频信号中表现出较低的阻抗，能更好地吸收高频噪声。
• 将这些小电容器放置在离电源引脚最近的位置，可以最大化它们在高频下的去耦效果。这样，电源引脚附近的高频噪声和瞬态变化能够被迅速吸收，减少对电路稳定性的影响。
• 小电容器通常具有较低的ESR值（等效串联电阻），这使得它们在高频噪声的滤除中更加有效。离电源引脚较近的地方需要更快速响应的去耦电容，而低ESR的电容在这种情况下能提供更好的滤波效果。
• 当电路中的负载发生快速电流变化时，电源电压可能会瞬时波动，产生电压瞬态。小电容器能够快速响应这种变化，通过提供高频电流路径，减小瞬态电压波动的影响。
• 大电容器（如 10 µF、100 µF 或更大）主要用于滤除较低频率的噪声，例如低频纹波或电源的不稳定性。大电容器在低频时能提供较大的电流支持，但它们的频率响应较差，不能有效去除高频噪声。
• 因为大电容器主要针对低频噪声和电压稳定，它们一般被放置在离负载较远的位置，这样能够有效地平滑电源电压，减少电源波动对整个电路的影响。

其实说到最后，个人感觉其中比较重要的就是高频噪声较容易被引入，如果小电容放在前面滤除掉了高频噪声，后续很容易再次引入导致无法被滤除，因此要贴近IC的电源引脚；大电容要保证电源的波动影响降低到最小，而电源波动的导致的噪声较低，因此优先放在电源后，以有效平滑电源电压。

2. 大电容与小电容的参数如何确定

并非完全是经验值。基于电路中噪声频率的特点、目标滤波效果以及实际设计中的经验值来选择的。这些数值具有一定的标准性，通常出现在实际电路中，主要考虑了以下几个因素：

0.1 µF 和 10 µF 这样的去耦电容器数值，并不是随意选定的，而是基于电路中噪声频率的特点、目标滤波效果以及实际设计中的经验值来选择的。这些数值具有一定的标准性，通常出现在实际电路中，主要考虑了以下：

一般按C=1/f

电源噪声的频率范围通常会从几十赫兹到数百兆赫兹不等。为了有效地去除电源噪声，需要选择适当的电容值来针对不同频率范围的噪声进行滤波。具体来说：

• 0.1 µF 电容（或者接近的范围，如 0.01 µF 到 0.47 µF）通常用来处理高频噪声。这类电容在工作频率上表现较好，能够滤除高频信号（例如，几十千赫兹到数兆赫兹的噪声）。这种电容器的选择主要基于其对高频噪声的良好去耦效果。
• 10 µF 电容（或者 4.7 µF 到 100 µF）通常用于滤除低频噪声或者电源纹波。这类电容能提供较大的电容值，能够处理低频信号（比如低于 100 kHz 的噪声或电源的纹波信号）。它们的作用是平滑电源电压，减少电源电压中的低频波动。

对于DC10MHz：0.1uF
10MHz50MHz：0.01uF
50MHz500MHz：1nF
500MHz5GHz：0.1nF

且一般选择多个电容器并联，以上的电容仅代表最小，最靠近IC电源引脚的电容。

3. +5V、-0.2V供电

为什么要这么设计呢？由图中以及上一章节说，一般不采用单电源供电，因为信号输出并不会完全达到电源的两端压值，即如果是+5V供电，信号输出基本上就在0.3~4.7V的区间，会导致地下被削掉。

那也会有人说，干脆±5V供电呗，不然，很多运放的最大压差供电不能超过7.5V，更何况还要打8折，因此出现了这么奇怪的供电方式。

由这个图也可以看到，通过BAS40肖特基二极管，导致了其输出稳定的-0.3V电源，从而实现了给OPA320以+5V、-0.3V供电，从而输出给ADS8326这样的ADC芯片。

但是对于稳压管来进行供电，实在是稳定性没有那么好，TI就有专门的LM7705电荷泵，输入5V，输出-0.232V，从而给常规运放进行供电，保证ADC的输入信号具有接近0V的摆幅。

同理，对于如下的DAC芯片，由于IC厂商默认把内部输出信号接入到了运放，且运放供电默认为+VCC和GND，其会导致输出低压值很不准确，解决方法只能是选择双电源的DAC

二、放大器的运放的布局

1. 滤波电容的布局

即C1和C2，可以看到，如果C2的负电源需要过孔，则一定不要把过孔置于去耦电容和电源引脚之间。

让去耦电容尽量靠近电源引脚。

如果使用多个去耦电容，则把最小的去耦电容放在离电源引脚最近的位置。

2. 缩短倒相引脚

即2号引脚的方向输入端回路尽可能的短。

3. 其他

扩宽走线路径；不要出现90°的角；灌流至少一个坚实的GND；不要为了用丝印层表示导致舍弃良好的布局。

布局布线基本上有很多方式，但是电源供电基本上都是一致的，其他的电阻只要满足缩短倒相即可。

三、输入阻抗匹配

输入阻抗可以越大越好，也可以进行匹配。

运放的输入阻抗≈无穷大（实际并不是，也是KΩ级别），经过并联49.9Ω或51Ω，实现≈50Ω的输入阻抗。

当然，上述实现的是最大功率参数；也可以去掉50Ω电阻，直接耦合，那么得到的就是最大电压输入。

四、用同相还是反向

1. 同相与反相的特点

（1）、同相放大器的最大的优点就是输入阻抗接近无穷大，常常作为电压跟随器使用，进行隔离。反相放大器的最大的优点是输入端的正反相电位差接近为0，只存在差模信号，抗干扰能力强。

（2）、同相放大器的最大缺点是输入没有“虚地”存在较大的共模电压，抗干扰的能力较差，使用时，要求运放有较高的共模抑制比。反相放大器的最大缺点是输入的阻抗很小，等于信号输入端的串联电阻阻值。

（3）、同相运算放大电路，引入的电压串联负反馈。反相运算放大电路，引入的电压并联负反馈。

（4）、同相和反相的输出电阻都基本为0。因为引入了深度电压负反馈。

（5）、共同遵循“虚断”，“虚地”分析规则，也是电路的分析的手段。

2. 同相与反相的不同

（1）、反相比例的增益很容易计算,同相比例的增益计算稍微复杂一些。

（2）、同相放大器最讨厌的地方是很容易带入共模干扰，而对于功放来说，这些共模干扰(主要来自于电源是致命的，这个是最关键的原因。反相放大器实际上是个对地的差分放大器，放大的就是差分信号(地与信号之间的差模)；而同相放大器没有差分的功能，更容易引入共模干扰。

3. 反相输入法与同相输入法的重大区别是

反相输入法，由于在同相端接一个平衡电阻到地，而在这个电阻上是没有电流的(因为运算放大器的输入电阻极大)，所以这个同相端就近似等于地电位，称为“虚地”，而反相端与同相端的电位是极接近的，所以，在反相端也存在“虚地”。有虚地的好处是，不存在共模输入信号，即使这个运算放大器的共模抑制比不高，也保证没有共模输出。

而同相输入接法，是没有“虚地”的，当使用单端输入信号时，就会产生共模输入信号，即使使用高共模抑制比的运算放大器，也还是会有共模输出的。所以，一般在使用时，都会尽量采用反相输入接法。

五、运放的改进

无论是同相还是反相放大器，可以在反馈电阻两端并联电容，从而实现低通滤波器，有效的提高系统稳定性。

对于一个跟随器而言，其反馈电阻RF是必须的，一般在5~20KΩ区间，具体可以看数据手册，同时输入电阻用于限流最好也不要省，同理可以进行低通滤波。

同时，有的运放并不适合跟随器，例如OPA228，放大倍数最好为5，否则容易自激振荡。