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嵌入式ARM 2022-11-24 12:00

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今天，我们学习一下运放的几个参数分析。

一、输入失调电压

输入失调电压定义：在室温25℃及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压叫做失调电压。

在理想的情况下，一般认为当运放的两个输入端输入相同的电压时，比如输入电压均为0，运放的输出端电压为0；但实则不然，因为实际上它的差分输入级很难做到完全对称，常在输入电压为0时，存在一定的输出电压，大概几个微伏或者几个毫伏，不同运放的性能不同，输入失调电压也不一样。

下图是LMV358运放失调电压的测试：

因为运放的失调电压通常比较小，所以我们接了一个比较大反馈电压，放大倍数为1001倍。因为我们可以看到，在运放的负输入端，电压为4.83mV，因此LMV358所测是的失调电压为4.83mV。

接下来，看一下LMV358数据手册：

典型的失调电压为0.5mV，最大是±5mV，我们测试结果还在范围内，但是已经比较大了。所以，大家在选择芯片时应考虑运放的输入失调电压，避免误差造成的影响。

下图是OPA2350输入失调电压仿真：

从图中可以看出，OPA2350作为高精度运放，它的输入失调电压很小。

二、输入失调电流

由于输入失调电流会造成输入失调电压变大，因此反馈电阻要小一点，避免反馈电阻过大引起测得的失调电压偏大。

此外，失调电压是直流量。

运放的输入一般是基于三极管或者FET结构的长尾式差分输入，对于BJT来说，由于三极管工作在放大区是需要提供一定的偏置电流的，因此需要提供输入电流，一般有nA到uA级别；

对于FET来说，由于场效应管本身是压控型器件，可还是存在一定的漏电流，不过电流非常小，一般是fA或者pA级别。但有时候为了ESD，还会增加钳位二极管，从而更加增大了这个漏电流大小。

测试运放的失调电流时，要减少输入失调电压对它的影响，因此要将运放的增益变得很小。这里我们选择的电阻为R2为1G欧姆，R3为1M欧姆，这样运放输出增益就接近1/1000倍，对失调电流产生的影响就很小。

下图为LMV358的失调电流，为-5.63pa。

这与数据手册中所说的10pa接近。

不同的运放，输入失调电流也不一样。高精度的运放，输入失调电流很小，如下图所示：

其他电路形式相同，我们只更换了运放型号，将LMV358改为OPA2350高精度运放，再看OPA2350的输入失调电压为1.3nA。

三、失调电压补偿

因为运放的不对称性，在输入端电压都为0时，运放输出还有微小的电压，在很多精密运放中，为了使输入端电压相等时，输出电压为0，通过调整输入端加一个微小的电压，使运放输出端电压为0，这个微小的电压叫做失调电压补偿。

1、如果我们的同相端作为信号输入，那么我们反向端进行失调电压补偿，我们需要双电源，正负两个方向进行补偿，双电源制作方法，正电源就是将电源的负极和大地连在一起，那么正极就是相对于大地电压为正的电压，负电源就是将电源的正极与大地连在一起，那么电源的负极端就是负电压。

2、补偿电阻要尽可能大，100K欧姆以上，尽量减少对原放大电路精度的影响。

3、补偿电源可以采用串联分压，提高补偿精度。

运放我们采用LF353，这是一个双电源供电的运放，单电源供电的没有办法进行负电源补偿。

运放正电压为5V，负电压为-5V。

此时我们看到，当两端输入电压相等均为0时，输出电压是1.89mv。

现在我们做输入电压补偿：

通过电压补偿，我们看到输出电压已经减小到9uv了，还是有效果的，可以更好的减小误差。

四、输入电压范围

1、一般指输入共模电压范围,即两个输入端处可允许接入的电压范围；

2、反相放人器由于虚地,共模电压为0，所以不受输入信号幅值的限制；

3、以基本的差分放大电路为例,避免输出电压范围的影响；

4、超出输人范围后，可能会出现相位翻转的现象；

5、rail-to-rai特性的运放（如OPA2350）可以输入稍微超过电源轨的电压。

它的工作电压范围为2.7V至5V，我们采用5V电压作为工作电压供电。

这里的最小工作电压低于工作电压范围最小值，我们在OPA2350的数据手册中也找到了解释。OPA350系列运算放大器的完整额定参数为2.7V至5.5V，实际的电源电压可以介于2.5V至5.5V之间。

五、输出电压范围

我们把运放做成一个电压跟随器，我们信号输入范围为0~5V，输出电压能够正常跟随。

现在，我们把输入电压改为-0.1V至5.6V之间，现象如下：

运放的输出已经出现失真现象，当输入电压大于工作电压时，运放输出最大电压出现削顶，最大输出电压为4.96，最小输出电压为100mV左右。

有的运放超出最大输入电压时，他会出现输出反向的现象。

六、压摆率

运放的压摆率（SR），是指输入为阶跃信号时，闭环放大器的输出电压时间变化率的平均值，是指单位时间（一般用微秒）器件输出电压值的可改变的范围。

OPA2350的压摆率，是在增益为1的情况下测量的。为了避免增益带来的干扰，减少带宽的影响，我们还是用电压跟随器来做，并且输入电压不能超过它的输入电压范围。

通过仿真，输入为三角波，电压范围为0至1V。我们可以看出，在输入频率为1Mhz时，输入电压波形和输出电压波形几乎重合，输出电压是跟随输入电压变化的。

我们使输入信号的频率不变，更改一下信号的幅值，将输入信号的幅值改为0至5V,我们可以看到，输出电压的波形已经和输出电压波形有了相位偏移，说明输出电压变化已经跟不上输入电压信号的变化。

接下来，我们计算一下它的压摆率。

SR=（用通道B的T1时刻电压-通道B的T2时刻电压）/（T2-T1）=17.24V左右，与数据手册所给的20接近。

我们选择运放压摆率的经验公式为SR=2*π*f*Vpk，其中f为运放输入信号的频率，Vpk是输入的幅值电压，比如输入信号频率为100khz，Vpk为5，可以计算得出：

SR=2*3.14*10*1000*5=3140000V/s=3.14V/us，OPA2350为22V/us是满足条件的。

而像LMV358这种普通运放，压摆率为0.6V/us，则满足不了我们的设计要求。

七、增益带宽积

OPA2350的增益带宽积为38MHZ，是在增益G=1的条件下测试的，衰减为-3db。

仿真如下所示：

频率为38MHz，输入信号为0至2V，电路采用的是电压跟随器方式，红色为信号发生器输入电压，紫色为运放输出电压，可以明显看出，运放的输出波形滞后于信号发生器的输入波形，且输出幅度有衰减。

由此可以计算一下，输出的最大电压为1.203V，与我们的输入最大电压相比，1.2/2=60%，衰减为40%，与理论给的30%接近，所以运放数据手册所给出的增益带宽积是在增益G=1，衰减为30%信号幅值条件下给出的。

如果我们增大增益，会提前出现30%的衰减现象。所以在选择运放的时候，运放增益积要大于一个值，G=K*输入频率*增益放大倍数，k值一般取10。

比如，输入频率为10Khz，增益放大倍数为100，那么所需要的运放增益带宽积应该为10M。

OPA2350的增益带宽为38MHZ，满足设计要求；而像LMV358，它的增益带宽仅为1Mhz，满足不了这个设计要求。

八、共模增益

1、使用基本差分成大电路；

2、两个输入端输入相同的电压，输入零差模信号，观察输出信号；

3、注意频率对共模增益的严重影响；

下面这张是OPA2350的数据手册里面的共模抑制比数据图：

在直流或者低频信号的时候，它的共模抑制比很大，随之频率增加，共模抑制比迅速减小。

这里输入电压范围为0至2V，一开始设置频率为1MHz，将示波器改为交流耦合，来测输入相同电压时运放的输出波形。

幅值为16uV左右，数据手册表明，随着输入信号频率的增加，共模抑制比减小（共模抑制比=输入的共模电压/运放输出电压）。

现在我们增大输入信号的频率，改为5Mhz，然后再来看一下输出波形，幅值变为13uV左右。

此处是我不理解的地方，按照数据手册上，输入信号的频率增大时，共模抑制比应该是减小，但我测得输出却是增大的……

以上就是运放几个参数的分析过程了，内容可能有不对的地方，希望各位大牛指教，谢谢！

END

作者：woai32lala

来源：21ic论坛

版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除。

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