运算放大器参数详解：从基本特性到应用要点

运算放大器参数详解：从基本特性到应用要点

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/zhuang19891021/article/details/146139006

运算放大器（运放）是电子工程中一种重要的放大器件，广泛应用于信号处理、放大、滤波等电路中。了解运放的各项参数对于正确选择和使用运放至关重要。本文将详细介绍运放的主要参数及其定义，帮助读者全面理解运放的特性。

一、运放的参数分类

运算放大器（运放）是一种具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的差分放大器，广泛应用于信号处理、放大、滤波等电路中。以下是运放的主要参数：

1. 基本参数：输入、输出电压范围，电源电压及其功耗；
2. 精度参数：输入失调电压Vos及其漂移、输入偏置电流Ib；输入失调电流Ios及其漂移；输入阻抗；
3. 频率特性：增益带宽积GBW、压摆率SR（满功率带宽）；开环增益Aol；相位裕度；
4. 噪声与抗噪：共模抑制比CMRR、电源抑制比PSRR、噪声；
5. 输出能力参数：小信号阶跃响应、建立时间、带载（输出电流、容性负载驱动）能力、输出阻抗；

二、关键参数定义

2.1、基本参数

输入电压范围（Vcm）

1. 定义：运放输入端可以承受的共模电压范围。
2. 意义：超过该范围可能导致运放工作异常。
3. 典型值：从几伏到电源电压范围。

输出电压摆幅（Vosw）

1. 定义：运放输出端能够达到的最大电压范围。
2. 意义：反映运放的输出能力，Vosw越接近电源电压，性能越好。
3. 典型值：从几伏到接近电源电压。

2.2、精度参数

输入失调电压（Vos）：

• 定义：在运放输出为零时，输入端需要施加的补偿电压。
• 意义：反映运放输入端的非理想性，Vos越小，运放的精度越高。
• 典型值：从几微伏到几十微伏。

输入失调电流（Ios）

1. 定义：两个输入端静态电流之差。
2. 意义：影响运放的输入偏置电流，Ios越小，运放的性能越好。
3. 典型值：从几纳安到几十纳安。

输入偏置电流（Ib）：

1. 定义：运放两个输入端静态电流的平均值。
2. 意义：影响运放的输入阻抗和信号源的负载效应。
3. 典型值：从几纳安到几十纳安。

输入阻抗（Zin）：

• 定义：运放输入端对信号源呈现的阻抗。
• 意义：高输入阻抗可以减少信号源的负载效应，提高信号传输质量。
• 典型值：差分，MΩ级别；共模，GΩ级别。

2.3、频率参数

开环增益（AOL）

1. 定义：运放在没有外部反馈时的电压增益，通常用dB表示。
2. 意义：反映运放内部放大能力的高低，开环增益越高，放大能力越强。
3. 典型值：一般在10⁵~10⁶之间，甚至更高。

闭环增益（ACL）

1. 定义：运放在加入外部反馈后实际的电压增益，由反馈网络决定。
2. 意义：实际使用中，闭环增益才是电路设计所关心的。
3. 典型值：根据反馈网络不同，闭环增益可以是几倍到几百倍。

增益带宽积（GBW）

1. 定义：运放的增益（放大倍数）与带宽的乘积为常数，即GBW = A × BW。
2. 意义：用于衡量运放在不同增益下的频率特性，增益越高，带宽越窄；增益越低，带宽越宽。
3. 典型值：从几kHz到几十MHz不等。

单位增益频率（fT）

1. 定义：运放开环增益下降到1时的频率。
2. 意义：反映运放的高频特性，fT越高，运放的高频性能越好。
3. 典型值：从几MHz到几十MHz。

相位裕度（PM）

1. 定义：在运放的频率特性中，增益下降到0dB时（放大倍数=1）的相位滞后与-180°的差值。
2. 意义：反映运放的稳定性，相位裕度越大，稳定性越好。
3. 典型值：一般大于45°。

压摆率（Slew Rate）

1. 定义：表示运放输出电压的最大变化速率，单位为V/μs。
2. 意义：影响运放对大信号的处理能力。SR越高，响应越快。
3. 典型值：从几V/μs到几十V/μs。

2.4、噪声及抗噪

共模抑制比 (CMRR)：

表示运放抑制共模信号（即同时出现在两个输入端的相同信号）的能力。CMRR越高，表明运放区分差分信号和共模信号的能力越强。

电源抑制比 (PSRR)：

反映运放对电源电压波动的抵抗能力。PSRR值越高，说明电源电压的变化对运放输出的影响越小。

噪声：

运放自身产生的噪声会影响信号的精确性，特别是在微弱信号处理场合。常见的噪声指标有电压噪声密度和电流噪声密度。

2.5、输出能力参数

输出阻抗（Zo）

1. 定义：运放输出端呈现的阻抗。
2. 意义：低输出阻抗可以提高负载驱动能力，减少输出信号的失真。
3. 典型值：从几欧姆到几百欧姆。

输出电流（Iout）

1. 定义：运放能够提供的最大输出电流。
2. 意义：反映运放的负载驱动能力。
3. 典型值：从几毫安到几十毫安。

三、关键参数详解

3.1、输入失调电压(Vos)

定义：开环时，使输出电压为零时的两输入端间的电压值(uV~mV量级)。

对策：a.选择Vos远小于被测量(折算到+/-输入端)的运放;
b.调零(软件);

3.2、失调电压漂移(Offset Voltage Drift)

随温度变化，∆VOS/∆T(µV/℃);
随时间持续而变化，∆VOS/∆MO(µV/MO)、MO即：Month;
随供电电压而变化，∆VOS/∆Vcc(µV/V);

对策：a.选择漂移系数较小的放大器(高稳定性);
b.每次电子系统运行前调零;

3.3、输入偏置电流(Ib)

定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的平均值。

影响：分掉被测电流，使测量失准;

对策：选择 Ib 较小的放大器;

3.4、输入失调电流(Ios)

定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的差值，Ios=Ib1-Ib2 。

3.5、输入电压范围(共模输入电压范围)、输出电压范围

运放正常工作时，两个输入端之间的压差是很小的。负载越大，则输出轨差越大。

3.6、增益带宽积(GBW)

增益配置得越大，则带宽越小。

3.7、压摆率

电压转换速率 SR，单位是：V/us 。

：可求得一个受SR限制的带宽，Vpp越大，则带宽越小。

3.8、小信号阶跃响应

SR越大，Vpp越小，则响应越快，

3.9、建立时间

• 利用运放+ADC对信号进行采样，建立时间是一个重要指标，ADC采样时刻应该在信号建立完成之后。

3.10、容性负载能力

运算放大器（运放）驱动容性负载的能力是一个重要的考虑因素，尤其是在设计模拟电路时。当运放直接驱动一个电容性负载时，可能会遇到稳定性问题，这是因为电容会与运放的输出阻抗相互作用，导致相位滞后，并可能引起振荡。

以下是几个关键点来理解运放带容性负载的能力：

稳定性问题：电容性负载增加了系统的总相移，可能导致负反馈系统变得不稳定。通常，当总的相移接近180度时，即使是很小的增益也足以使系统进入自激振荡状态。

频率响应：电容性负载会影响运放的频率响应，降低其带宽并可能导致峰值出现。这取决于运放的内部结构和外部补偿措施。

解决方法：

串联电阻：在运放输出端与电容性负载之间加入一个小电阻可以隔离电容对运放的影响，从而提高稳定性。

反馈路径中的补偿：有时可以在反馈路径中添加一个串联的RC网络来提供局部补偿，改善系统的稳定性。

选择适合的运放：一些运放专门设计用来更好地驱动电容性负载，具有更高的开环增益、更好的频率稳定性和更佳的驱动能力。

运放的数据手册：数据手册通常会给出运放能稳定驱动的最大电容值，这是评估特定运放能否适用于某个应用的重要参考。

实验验证：在实际设计过程中，仿真软件或实验室测试可以帮助确定运放是否能够稳定地驱动预期的电容性负载。