运放中的那些坑——第一篇
1、运放十坑之一——轨到轨
运放输出电压到不了电源轨的这种明坑踩了后,我选择了轨到轨的运放,哈哈,这样运放终于可以输出到电源轨了。高兴的背后是一个隐蔽大坑等着我:
看看我常用的某公司对轨到轨运放产品的介绍:"高速(>50MHz)轨到轨运算放大器支持以更低的电源电压、更接近供电轨的摆幅和更宽的动态范围工作。"看到没有:
"以更低的电源电压、更接近供电轨的摆幅和更宽的动态范围工作。"
"更接近供电轨的摆幅"
"更接近"
"接近"
。。。
看一个轨到轨运放的手册:
输出电压的确是到不了电源的5V,why?
运放的输出级可以简化为下面这种的结构形式:
由于MOS管有导通电阻,当流过电流时,导致了电压降,因此,当负载越大时,导通压降越大,输出电压越不能达到轨。
所以说,轨到轨运放不是完全的可以使输出到达电源值,要使用的时候,还需要看负载和温度(影响导通电阻阻值)的关系来决定输出能达到多大电压。
2、运放十坑之二——不可忽略的输入偏置电流
设计了一个分压电路,理论上输入1V,输出2V,可是一测,总是多了近6,7百个mV。这要是进12位3V量程ADC,可是要吃掉600多个码。
原来运放正向输入端和反向输入端由于TVS漏电流和管子输入偏置电流,导致了两个输入端存在输入偏置电流(而且由于没有任何一个器件和另外一个器件一模一样,这两者输入偏置电流还不尽相同);这两个偏置电流会与外部电阻一起形成偏置电压后,输出到后端,形成误差。如果你不巧选择了一个基于BJT设计的运放,它具有较大的输入偏置电流,就会造成很大的后级误差。如下图这种运放,真是"岂止于大,简直是莽"。
下面假设,两个输入端的输入偏置电流相同。
对于,正向输入端来说,Ib+带来偏置电压几乎等于0,而对于反向输入端来说,Ib-带来的偏置电压等于350mV(计算时,假设Vout接地,相当于R1//R2)。因此,需要的是在正向输入端增加一个电阻,来补偿反向输入端带来的误差。
正如前文所述,正反相输入偏置电流不尽相同,补偿只能减小失调电压,而正反相输入偏置电流差也称为失调电流。在进行高精度或小信号采样时,可以选用低失调电流运放,因为加入补偿电阻,也代入了一个新的噪声源,要慎重加入。
偏置电流是运放的主要误差之一,在之后的坑中,还会介绍一些影响后级的误差源。
3、运放十坑之三——快速下降的PSRR
当我是个菜鸟工程师的时候,做运放设计从来不考虑PSRR,当听说过PSRR之后,每次选运放都会在成本控制基础上选择一个有较高PSRR的运放。
比如这款运放PSRR达到了160dB:
根据计算公式:
即使电源电压在4.5V-5.5V区间内发生变化,电源对运放输出的影响只有10nV。
很可惜,这个指标是指电源电压的直流变化,而不包括电源电压交流的变化(如纹波),在交流情况下,这个指标会发生非常大的恶化。Spec.里面提到的只是直流变化,交流变化在后面图示里面,一般情况下,非资深工程师对待图示都是滑滑地翻过去。
如果运放电路使用了开关电源,又没有把去耦、滤波做得很好的话,后级输入精度会受到极大的影响。来看,同一款运放的交流PSRR。
对于500kHz开关频率的纹波,PSRR+恶化到只有50dB,假设纹波大小为100mV,那么对于后级的影响恶化会达到0.3mV。对于很多小信号采集的应用来说,这个误差是不可接受的。因此,有些应用场景甚至会在运放电源入口做一个低通滤波(请注意电阻功耗和电阻热噪声)。
4、运放十坑之四——乱加的补偿电容
以前有个"老工程师"对我说,反馈电路加个电容,电路就不会震荡。一看到"震荡"这么高大上的词语,我当场就懵逼了,以后所有的电路都并一个小电容,这样才professional。
直到一天,我要放大一个100kHz(运气很好,频率还没有太高,不然电压反馈运放都没法玩)的信号,也是按照经验并上一个电容,然后。。。信号再也没有正常。。。因为,并上了这个电容反馈阻抗对于100kHz的信号变成了只有不到200Ω,导致放大系数变化。
然,这还不是关键,问题在于:真的需要一个补偿电容吗?
首先,运放内部存在一个极点(把它想成就是RC低通造成的),它会造成相位的改变,最大到-90°:
如果再增加一个极点呢,它又会再次对相位进行改变,最大还
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