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技術(shù)專題
電路設(shè)計中通用運算放大器
任何電路的成功都主要取決于您選擇合適的組件來完成工作的能力。電子商務(wù)中的每個公司都在努力選擇通用IC。許多工程師第一選擇的晶體管，邏輯門或SMD LED。我知道高效率的反向安裝藍色LED給我的眼睛帶來了幼稚的喜悅之淚，而我并不是其中的一個。建立一個 可以反復(fù)使用的大量組件庫 可以降低生產(chǎn)成本，并簡化將新產(chǎn)品投放市場所需的工程工作。
作為我們武器庫中最靈活的模擬組件，選擇正確的運算放大器尤為關(guān)鍵。正確的運算放大器可以在永無止境的質(zhì)量和性能爭奪與平穩(wěn)，長達十年的生產(chǎn)之間發(fā)揮作用，而您幾乎不必費勁。
諸如FPGA和計算機處理器之類的巨大硅片的定價主要取決于硅芯片的表面積（包括其對成品率的影響），諸如5nm之類的密集工藝工藝的稀缺性，知識產(chǎn)權(quán)，研究與開發(fā)。小型模擬和數(shù)字組件不會遵循相同的規(guī)則。我們可以認為是有效的通用選擇的許多運算放大器已有20多年的歷史，并且已售出數(shù)十億件。長期以來，所有的研究和開發(fā)成本都已經(jīng)收回，并且制造過程已經(jīng)成功運行了數(shù)十年，同時在多個不同的經(jīng)濟領(lǐng)域內(nèi)并行進行。
批量購買時，簡單，通用且質(zhì)量穩(wěn)定的IC通常很貴，特別是當(dāng)不是直接從工廠而是通過中間商購買時。大部分成本是由于裸模，測試，包裝和運輸所致。
單電路和多電路運算放大器的價格之間沒有太大差異，因為大部分過程是相同的。
使用多電路運算放大器可以節(jié)省電路板空間，去耦電容器和組裝成本。附加的運算放大器還可以用于提高性能和可靠性，例如，通過在精密的模擬子電路中增加輸入和輸出跟隨器，使其性能與電源和負載的阻抗無關(guān)。
只要有可能，就應(yīng)該將多個單獨的運算放大器合并為一個IC。在開發(fā)階段，保留一些未使用的運算放大器也可以為您提供幫助。
電源供應(yīng)
運算放大器最關(guān)鍵的電源參數(shù)是其電源電壓范圍，功耗和PSRR（電源抑制比）。
與大多數(shù)模擬 IC 相似，運算放大器的功耗 通常以毫安（或微安）而不是毫瓦為單位。
您的電源要求將取決于您的產(chǎn)品是否由電池供電。在過去的十年中，我們已經(jīng)擁有了新一代的低功耗和高精度運算放大器，但價格尚未下降到可以連續(xù)生產(chǎn)40多年的IC的水平。在現(xiàn)代CMOS設(shè)計中，典型的功耗是幾微瓦，但是毫瓦BJT范圍仍然是最實惠的。
對于通用運算放大器，超過100dB的PSRR無疑已成為“不必擔(dān)心”的領(lǐng)域。
LM324DT具有100dB的PSRR，375uA的電源電流（是四個放大器的1.5mA的乘積），并且可在5V的電壓下使用。數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了從3V開始的單電源供電，但在1.5V時基本上只有一半的輸入電壓可用，并且輸出電流能力有限，因此幾乎不值得考慮。
為了在3.3V下使用，我強烈建議使用軌到軌輸入和輸出（RRIO）CMOS運算放大器，例如Microchip的MCP6001。這款運算放大器是有史以來最暢銷的IC之一，這主要是因為其成本低廉，而且價格低廉，但仍需要權(quán)衡取舍。與價格類似的BJT運算放大器相比，失調(diào)電壓相當(dāng)中等。如果PCB設(shè)計不當(dāng)，則皮安輸入電流可能會出現(xiàn)問題。在所有設(shè)計中實施保護痕跡可能會很煩人，并且低偏置電流會使您的電路板由于環(huán)境污染和制造工藝而導(dǎo)致性能變化。
實施 保護跟蹤 并不總是像數(shù)據(jù)表所暗示的那么簡單
近年來，許多PCB組裝商已改用完全免清洗或水溶性助焊劑來減少環(huán)境污染。這種變化使我為我們的行業(yè)感到自豪，但是如果清洗不正確的水溶性助焊劑會留下吸濕性殘留物。當(dāng)這些殘留物被環(huán)境濕度激活時，會引起漏電流的增加。在輸入偏置電流的數(shù)量級至少為幾納安的數(shù)量級的設(shè)計中，這很少出現(xiàn)問題，但是在使用具有皮安級輸入電流的CMOS運算放大器時必須格外小心。
輸入項
我一直希望通用放大器提供低輸入失調(diào)電壓，對于大多數(shù)應(yīng)用來說足夠低的偏置電流，但又不會太低，以至于使我們的PCB設(shè)計與保護走線變得復(fù)雜。這些輸入可以盡可能靠近電源軌和良好的CMRR（共模抑制比）。
如果運算放大器不能足夠接近地面，我們就不能在沒有求助于虛擬地面的情況下將其實際用作同相放大器單電源操作。與ADC的接口也變得越來越困難，尤其是當(dāng)ADC嵌入微控制器時。
靠近上部供應(yīng)導(dǎo)軌完全是另一回事。
軌到軌運算放大器在靠近上部電源軌時往往會權(quán)衡諸如輸入偏置電流和共模抑制比（CMRR）之類的性能。它們中的一些采用集成的電荷泵電路來產(chǎn)生高于頂軌的內(nèi)部電壓，但是管芯中的硅電容器增加了成本和復(fù)雜性。業(yè)界花了很多年才能達到標準運算放大器和RRIO放大器之間可比的性能，而多年來，標準運算放大器已經(jīng)變得越來越便宜。
最后，靠近上部電源導(dǎo)軌很有用，但在大多數(shù)應(yīng)用中不是必需的?？梢詫⒋蠖鄶?shù)電路設(shè)計成在地和4V之間工作，而不是在地和5V之間工作。這些數(shù)字不會那么漂亮和全面，但是生活中最糟糕的悲劇。
輸入失調(diào)電壓應(yīng)保持在5mV（0-5V范圍的1/1000）以下，以便在最廣泛的通用應(yīng)用范圍內(nèi)使用。
低于100nA的偏置電流應(yīng)足以滿足大多數(shù)實際用途。使用100K輸入電阻器，這相當(dāng)于增加了10mV的失調(diào)。
LM324ST的偏置電流為20nA，相當(dāng)于100Kohm偏置電壓下的2mV，與3mV偏置電壓的幅度相同（在環(huán)境溫度下最差）。
輸出量
我希望運算放大器在以5V供電時具有至少20mA的輸出電流，以驅(qū)動簡單的RC低頻濾波器，并且對于緩沖輸出很有用。
理想情況下，輸出擺幅應(yīng)盡可能靠近軌，但只有CMOS RRIO（軌至軌輸入和輸出）運算放大器才允許這樣做。
與輸入偏置電流和CMRR隨著輸入共模電壓接近軌而變得最糟的情況類似，當(dāng)接近V +時，CMOS放大器的輸出級通常表現(xiàn)不佳。
許多模擬 電路 需要串聯(lián)兩個或多個運算放大器，因此在輸入和輸出上使用性能相似的IC通常會簡化設(shè)計。
我最喜歡的運算放大器
選擇運算放大器有時可能類似于婚姻。明智地選擇，您會很快變得憤青和專橫。但是，如果幸運的話，您會發(fā)現(xiàn)自己每天都對自己的選擇感到更加感謝，最終回頭微笑。
沒有運算放大器適合所有應(yīng)用。但是我可以在幾乎所有產(chǎn)品中找到一個運放，然后為它找到位置，這就是LM324DT。
它也是主要品牌中為數(shù)不多的，能在深圳市場上找到的價格適中的組件之一，價格幾乎下降到了0.03美元（相當(dāng)于4個運算放大器?。?。
LM324DT的嚴重缺點是使用5V或3.3V電源供電時性能有限。
幸運的是，有許多類似規(guī)格的低壓運算放大器可供選擇。德州儀器（TI）生產(chǎn)LM324的低壓版本LM324LV。Microchip制造了廣受歡迎的MCP6001及其多電路變體。
在設(shè)計成本不是首要考慮因素的吟游詩人時，例如像我的霍爾效應(yīng)設(shè)備這樣的設(shè)計精良的手工工具。CMRR并不是行業(yè)中好的，但其他一切令人震驚。
跟蹤所有運算放大器
在過去的幾十年中，大多數(shù)設(shè)計的電源電壓已大大降低。首先，我們看到了最有名的微控制器系列，它們從5伏轉(zhuǎn)換到3.3V。最近，隨著越來越多的設(shè)備采用纖薄的單節(jié)鋰電池，降低功耗變得越來越重要，我們見證了1.8V微控制器的興起。
期望LM324DT和其他類似的運算放大器在未來幾年內(nèi)會過時并失寵，這并非不合理。如果美國領(lǐng)先的制造商由于無利可圖而決定減產(chǎn)，類似于2018年MLCC危機，那么不可靠的仿冒品可能會充斥市場并引發(fā)劇烈的價格波動。
當(dāng)時代到來時，更現(xiàn)代的低電壓和低功耗運算放大器將不可避免地取代我心愛的LM324DT。
供應(yīng)鏈問題可能使我有點過于戲劇化，但是作為工程師，估計并控制未來的不確定性是我們的工作。 與通用運算放大器一樣普遍存在的組件應(yīng)在每個項目中進行仔細跟蹤和明智地管理。