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更換運(yùn)算放大器時(shí)的三個(gè)主要注意事項(xiàng)
更換運(yùn)算放大器時(shí)的三個(gè)主要注意事項(xiàng)
當(dāng)我們討論更換通用或精密電壓反饋運(yùn)算放大器時(shí)的三個(gè)注意事項(xiàng)。這三個(gè)注意事項(xiàng)包括運(yùn)算放大器的輸入級(jí)拓?fù)?，輸出?jí)拓?fù)浜凸に嚰夹g(shù)。在給定的設(shè)計(jì)中，每一種都可能會(huì)導(dǎo)致意想不到的后果，從而可能會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能或功能或兩者。
例如，輸出級(jí)拓?fù)錄Q定了輸出擺幅范圍，但也可能影響電路的穩(wěn)定性，具體取決于開環(huán)輸出阻抗Z o。替換運(yùn)放時(shí)的其他重要考慮因素，例如背對(duì)背輸入二極管，失調(diào)電壓漂移和輸入偏置電流漂移，不在本文的討論范圍之內(nèi)，但我建議您對(duì)它們進(jìn)行研究。
注意事項(xiàng)1：輸入級(jí)拓?fù)洌?span>V os與V cm）
傳統(tǒng)的單輸入對(duì)和互補(bǔ)輸入對(duì)是兩種最常見的運(yùn)算放大器輸入級(jí)拓?fù)?，如圖1所示。圖1a描繪了一個(gè)輸入級(jí)，其中包括一對(duì)N溝道P溝道N溝道（NPN）晶體管。這樣的拓?fù)渫ǔ＞哂邪ㄘ?fù)電源電壓的輸入共模電壓范圍，但可能僅擴(kuò)展到正電源電壓的1 V或2 V以內(nèi)。作為此缺點(diǎn)的折衷方案，僅具有一對(duì)輸入級(jí)晶體管對(duì)的運(yùn)算放大器具有相對(duì)恒定的失調(diào)電壓，因?yàn)檫@些晶體管本質(zhì)上具有良好的匹配性。
圖1單PNP晶體管對(duì)（a）和互補(bǔ)輸入對(duì)（b）是常見的運(yùn)算放大器輸入級(jí)拓?fù)洹?span>
除了具有此類輸入級(jí)的器件的共模電壓范圍減小之外，這些器件還可能遭受反相，這在某些運(yùn)算放大器中會(huì)在輸入共模電壓超過線性輸入共模范圍時(shí)發(fā)生。在反相過程中，輸出電壓擺到相反的電壓軌。盡管有板級(jí)技術(shù)可以防止這種情況的發(fā)生，但存在一個(gè)更簡單的解決方案：互補(bǔ)對(duì)輸入級(jí)（圖1b）。
該拓?fù)渚哂幸粚?duì)N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體（NMOS）晶體管（當(dāng)共模電壓接近正電源電壓時(shí)有效）和一對(duì)P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體（PMOS）晶體管（當(dāng)共模電壓接近負(fù)電源電壓）。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可防止相位反轉(zhuǎn)，并在整個(gè)輸入電源電壓范圍內(nèi)擴(kuò)展共模電壓范圍。
雖然這種拓?fù)鋽U(kuò)展了輸入共模范圍，但在PMOS和NMOS晶體管對(duì)之間進(jìn)行切換會(huì)產(chǎn)生偏移電壓“過渡區(qū)域”，如圖2所示。發(fā)生這種過渡的共模電壓以及失調(diào)電壓變化的幅度將取決于運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)。具有較大失調(diào)電壓變化的器件通常不被認(rèn)為具有軌到軌輸入（RRI），但是對(duì)于具有良好匹配的輸入級(jí)晶體管對(duì)的器件，數(shù)字校正技術(shù)或失調(diào)修整通常具有RRI。除了失調(diào)電壓外，其他規(guī)格（例如共模抑制比，帶寬，噪聲，壓擺率和開環(huán)增益）通常會(huì)降低NMOS工作區(qū)域的性能。
圖2具有互補(bǔ)輸入對(duì)的輸入級(jí)包括非RRI（a），RRI（b）和RRI修剪（c）。
值得一提的拓?fù)涫橇憬徊娣糯笃?。零交叉放大器使用?nèi)部電荷泵，并且只有一對(duì)輸入級(jí)晶體管。電荷泵在內(nèi)部提升器件的電源電壓，例如1.8 V，從而確保輸入級(jí)晶體管對(duì)在整個(gè)電源電壓范圍（RRI）范圍內(nèi)線性工作，并且沒有輸入失調(diào)電壓過渡區(qū)域（圖3）。
圖3零交叉運(yùn)算放大器使用一個(gè)內(nèi)部電荷泵，并具有一對(duì)輸入級(jí)晶體管。
總之，在更換運(yùn)算放大器時(shí)，請(qǐng)確保共模電壓范圍和輸入級(jí)拓?fù)涠寂c原始器件兼容。
考慮因素2：輸出級(jí)（Z o）
更換運(yùn)算放大器時(shí)要考慮的第二個(gè)主要考慮因素是Z o。這在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)尤其重要，因?yàn)?span>Z o和負(fù)載會(huì)在運(yùn)算放大器的環(huán)路增益曲線中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)。該極點(diǎn)會(huì)通過在反饋路徑中增加延遲來引起穩(wěn)定性問題，從而降低電路的相位裕度。
穩(wěn)定容性負(fù)載的最常見解決方案之一是在負(fù)載和運(yùn)算放大器電路之間放置一個(gè)隔離電阻R iso。R iso通過在傳遞函數(shù)中創(chuàng)建零來補(bǔ)償極點(diǎn)。但是，零的位置（因此，R iso的值）取決于Z o。因此，不僅要了解Z o的大小，而且要了解其如何隨頻率變化，這一點(diǎn)很重要。圖4描繪了各種Z o曲線以說明這一概念。
圖4運(yùn)算放大器顯示出各種Z o曲線。
如果備用運(yùn)算放大器的輸出級(jí)不同，因此Z o曲線也不同，那么您可能需要調(diào)整補(bǔ)償元件。運(yùn)行用于TI仿真的PSpice?是一種相對(duì)快速簡便的方法，可以檢查設(shè)計(jì)的相位裕度并根據(jù)需要調(diào)整組件值。確保在工作臺(tái)上測(cè)量小信號(hào)過沖，以驗(yàn)證仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)世界中的可靠性。
考慮因素3：制程技術(shù)（雙極與CMOS）
最后，工藝技術(shù)會(huì)影響許多運(yùn)算放大器的規(guī)格，包括失調(diào)電壓，漂移，共模和輸出擺幅范圍，輸出電壓與輸出電流的關(guān)系（爪形曲線），噪聲和輸入偏置電流。深入探討所有這些規(guī)范不在本文討論范圍之內(nèi)，但是要強(qiáng)調(diào)的幾個(gè)規(guī)范包括輸入偏置電流和噪聲。
與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）放大器相比，雙極放大器或至少具有雙極晶體管輸入級(jí)的運(yùn)算放大器具有相對(duì)較大的輸入偏置電流。這是因?yàn)殡p極性輸入級(jí)運(yùn)算放大器的輸入偏置電流取決于晶體管基極電流的大小，該大小通常在納安級(jí)范圍內(nèi)。
盡管存在降低雙極性放大器輸入偏置電流的技術(shù)（例如，輸入偏置電流消除），但CMOS放大器的輸入偏置電流要小得多，通常在皮安甚至飛安范圍內(nèi)，因?yàn)樗鼈兊妮斎肫秒娏魇怯尚孤┮鸬?。保護(hù)設(shè)備輸入引腳的靜電放電二極管的電流。輸入偏置電流規(guī)范對(duì)于在反饋網(wǎng)絡(luò)中具有大電阻器的應(yīng)用以及與高阻抗信號(hào)源接口時(shí)的應(yīng)用尤其重要。因此，在這些應(yīng)用之一中，如果要用雙極放大器替換CMOS放大器，請(qǐng)務(wù)必小心。
除了輸入偏置電流外，更換運(yùn)算放大器時(shí)還應(yīng)考慮運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲頻譜密度曲線。該曲線繪制了噪聲（以納伏/平方根赫茲為單位）與頻率的關(guān)系。該曲線有兩個(gè)主要區(qū)域：1 / f和寬帶區(qū)域。1 / f區(qū)域表示低頻噪聲分量，該低頻噪聲分量隨頻率增加而減小。寬帶區(qū)域是高頻噪聲，通常在整個(gè)頻率上是恒定的。1 / f“噪聲角”是1 / f區(qū)域過渡到寬帶區(qū)域的位置。比較運(yùn)算放大器的噪聲性能時(shí)，通常將其視為品質(zhì)因數(shù)。通常，雙極性放大器比CMOS放大器具有較低的1 / f噪聲角。圖5 描繪了雙極和CMOS放大器的輸入電壓噪聲頻譜密度曲線。
圖5顯示了雙極性和CMOS放大器的輸入電壓噪聲頻譜密度的比較。
更換運(yùn)算放大器時(shí)，您還應(yīng)該考慮寬帶噪聲和帶寬的影響。例如，邏輯上可以輕松地將6-nV /√Hz，10MHz運(yùn)算放大器替換為3nV /√Hz，50MHz運(yùn)算放大器。但是，如果設(shè)計(jì)中沒有外部濾波（例如，輸出上有RC濾波器），則噪聲較低，帶寬較大的運(yùn)算放大器實(shí)際上會(huì)比噪聲較高，帶寬較低的運(yùn)算放大器在輸出端產(chǎn)生更多的噪聲。
其他重要考慮因素
下次需要更換運(yùn)算放大器時(shí)，請(qǐng)確?？紤]的不僅僅是電源電壓，封裝和引出線。例如，即使兩個(gè)設(shè)備可能具有相同的共模電壓范圍，但它們可能具有不同的輸入級(jí)設(shè)計(jì)。根據(jù)原始運(yùn)算放大器和替換運(yùn)算放大器的不同，這可能會(huì)引入一個(gè)過渡區(qū)域，當(dāng)輸入信號(hào)接近正電源時(shí)，過渡區(qū)域會(huì)導(dǎo)致性能下降。
同樣，兩個(gè)運(yùn)算放大器可能具有相同的輸出擺幅范圍，但開環(huán)輸出阻抗曲線卻大不相同。在這種情況下，您應(yīng)該模擬設(shè)計(jì)以確保足夠的相位裕量。
接下來，用雙極性運(yùn)算放大器代替CMOS運(yùn)算放大器（反之亦然）有很多含義。注意的兩個(gè)包括輸入偏置電流和噪聲。如果原始設(shè)計(jì)的反饋網(wǎng)絡(luò)中有大電阻，或者與高阻抗信號(hào)源接口，或者兩者都有，則比較輸入偏置電流圖。
最后，在比較運(yùn)放噪聲性能指標(biāo)和帶寬時(shí)要格外小心。僅僅因?yàn)檫\(yùn)算放大器具有較低的1 / f噪聲角或較低的寬帶噪聲，并不一定意味著它對(duì)信號(hào)路徑的影響較小。