运放参数及指标定义详解

运放主要指标及定义 单位增益带宽定义为 运放的闭环增益为 1 倍条件下 将一个恒幅正弦小 信号输入到运放的输入端 从运放的输出端测得闭环电压增益下降 3db 或是 相当于运放输入信号的 0 707 所对应的信号频率 单位增益带宽是一个很重 要的指标 对于正弦小信号放大时 单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增 益的乘积 换句话说 就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后 可 以计算出单位增益带宽 用以选择合适的运放 这用于小信号处理中运放选型 例 某个运放的增益带宽 1MHz 若实际闭环增益 100 则理论处理小信号的最 大频率 1MHz 100 10KHz 转换速率 也称为压摆率 SR 运放转换速率定义为 运放接成闭环条件 下 将一个大信号 含阶跃信号 输入到运放的输入端 从运放的输出端 测得 运放的输出上升速率 由于在转换期间 运放的输入级处于开关状态 由于一个 大信号 含阶跃信号 接输入端 运放输入级电路迅速从截止状态变成饱和状 态 处在放大状态的时间几乎忽略不计 简称处于 开关状态 所以运放的 反馈回路不起作用 也就是转换速率与闭环增益无关 转换速率对于大信号处 理是一个很重要的指标 对于一般运放转换速率 SR10V s 目前的高速运放最高转换速率 SR 达到 6000V s 这用 于大信号处理中运放选型 全功率带宽 BW 全功率带宽定义为 在额定的负载时 运放的闭环增益为 1 倍条件下 将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端 使运放输出幅度达到 最大 允许一定失真 的信号频率 这个频率受到运放转换速率的限制 近似 地 全功率带宽 转换速率 2 Vop Vop 是运放的峰值输出幅度 全功率带 宽是一个很重要的指标 用于大信号处理中运放选型 建立时间 在额定的负载时 运放的闭环增益为 1 倍条件下 将一个阶跃大信 号输入到运放的输入端 使运放输出由 0 增加到某一给定值的所需要的时间 由于是阶跃大信号输入 输出信号达到给定值后会出现一定抖动 这个抖动时 间称为稳定时间 稳定时间 上升时间 建立时间 对于不同的输出精度 稳定 时间有较大差别 精度越高 稳定时间越长 建立时间是一个很重要的指标 用于大信号处理中运放选型 等效输入噪声电压 等效输入噪声电压定义为 屏蔽良好 无信号输入的的 运放 在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压 这个噪声电压折算到运 放输入端时 就称为运放输入噪声电压 有时也用噪声电流表示 对于宽带 噪声 普通运放的输入噪声电压有效值约 10 20 V 差模输入阻抗 也称为输入阻抗 差模输入 差模输入是指正负输入端 之间的电压差 共模输入是指正负输入端分别对地电压 阻抗定义为 运放工 作在线性区时 两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值 差 模输入阻抗包括输入电阻和输入电容 在低频时仅指输入电阻 一般产品也仅 仅给出输入电阻 采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于 10 兆欧 场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于 109 欧 输出阻抗 输出阻抗定义为 运放工作在线性区时 负反馈才能工作在线性范 围 输出不饱和就是在线性范围 积分电路在线性范围 而矩形波电路 正反 馈 输出不是正饱和就是负饱和 一定是非线性的 在开环的情况下 放大器 放大倍数很大 很容易超范围 所以一般接负反馈降低放大倍数 以增大线性 区 在运放的输出端加信号电压 这个电压变化量与对应的电流变化量的比 值 在低频时仅指运放的输出电阻 这个参数在开环测试 输入失调电压 VIO input offset voltage 集成运放输出端电压为 零时 两个输入端之间所加的补偿电压 输入电压为零时 将输出电压除以 电压增益 再加上负号 即为折算到输入端的失调电压 亦即使输出电压为零 时在输入端所加的补偿电压 VIO 是表征运放内部电路对称性或者反映了输入 级差分对管的失配程度 一般 Vos 约为 1 10 mV 高质量运放 Vos 在 1mV 以 下 输入失调电压温漂 在规定工作温度范围内 输入失调电压随温度的变化量 与温度变化量之比值 这个参数实际是输入失调电压的补充 便于计算在给定 的工作范围内 放大电路由于温度变化造成的漂移大小 一般情况下约为 10 30 uV 摄氏度 高质量的可做 0 5uV C 摄氏度 输入失调电流 IIO input offset current 当运放的输出直流电压为 零时 其两输入端偏置电流的差值 在零输入时 差分输入级的差分对管基极 电流之差 II0 IB1 IB2 用于表征差分级输入电流不对称的程度 通常 Ios 为 0 5 5 nA 高质量的可低于 1nA 输入失调电流温漂 在规定工作温度范围内 输入失调电流随温度的变化量 与温度变化量之比值 它是指 II0 在规定工作范围内的温度系数 也是衡量运 放受温度影响的重要指标 通常约为 1 50 nA C 高质量的约为几个 pA C 开环差模电压增益 open loop voltage gain 运放工作于线性区时 运放输出电压与差模电压输入电压的比例 由于差模开环直流电压增益很大 大多数运放的差模开环直流电压增益一般在数万倍或更多 故一般采用分贝方 式记录和比较 一般运放的差模开环直流电压增益在 80 120dB 之间 共模抑制比 common mode rejection ratio 是指差分放大器对同时 加到两个输入端上的共模信号的抑制能力 更确切的说是 产生特定输出所需 输入的共模电压与产生同样输出所需输入的差分电压的比值 常用分贝数来表 示 KCMR 20lg Avd Avc dB 它是衡量输入级差放对称程度及表征集成运放抑 制共模干扰信号能力的参数 其值越大越好 通常 KCMR 约为 70 100 分贝 高质量的可达 160 分贝 共模抑制比计算 从公式可以看出 CMRR 与放大器的增益和频率无关 如果 R3 R4 R2 R1 共模抑制比会无穷大 差模放大倍率为 1 的情况为 R3 R4 R2 R1 在实际电路设计中 可以使用高精度万用表测出低漂移的电阻 使得 R1 R2 R3 R4 这 样 可以是运放的共模抑制比大幅度提升 输出峰 峰值电压 当运放工作于线性区时 在指定的负载下 运放在当前 大电源电压供电时 运放能够输出的最大电压幅度 除低压运放外 一般运放 的输出输出峰 峰值电压大于 10V 一般运放的输出峰 峰值电压不能达到电源 电压 这是由于输出级设计造成的 现代部分低压运放的输出级做了特殊处理 使得在 10K 负载时 输出峰 峰值电压接近到电源电压的 50mV 以内 所以称为 满幅输出运放 又称为轨到轨 raid to raid 运放 注意的是 运放的输出 峰 峰值电压与负载有关 负载不同 输出峰 峰值电压也不同 运放的正负输 出电压摆幅不一定相同 对于实际应用 输出峰 峰值电压越接近电源电压越 好 这样可以简化电源设计 但是现在的满幅输出运放只能工作在低压 而且 成本较高 运放闭环增益 一般放大器的分析都是基于交流反馈进行 这是方便分析电路的稳定和噪声的 影响 通常将具体的交流负反馈放大电路用方块图表示 这是因为无论哪种交 流负反馈放大电路 它们都是由放大通路和反馈通路两部分组成 如图 2 6 所示 3 当 1 A s F s A s 说明在这种情况下 形式上的 负反馈已经转化为实质上的正反馈 正反馈使增益变大 4 当 1 A s F s 0 时 则 Af s 为无穷大 这说明在没有外加输入信号 时 也会有输出信号 这种现象称为反馈放大电路的自激振荡现象 对于放大 电路而言 自激振荡破坏了正常的放大工作状态 因此 反馈放大电路必须避 免出现自激振荡 通常 1 A s F s 称为负反馈放大电路的反馈深度 一般情况下 放大器处于深度负反馈 此时 放大电路的闭环增益为 l F s 但在实际中 很少去算 l F s 的 而是根据深度负反馈的 虚短 虚断 的概念进行计算 放大器稳定性的分析 都是基于式 2 1 的 一般是应用放大器的频率响应 借助波特图进 行分析的 放大器对不同频率的正弦信号的稳态响应称为频率响应 放大器的频率响应可 直接由放大器的放大倍数对频率的关系来描述 即 w 曲线的拐点再往高频移动一些时 fc 之前或 fc 对