专栏名称: 传感器技术
制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
目录
相关文章推荐
蛋先生工作室  ·  最新豆粕、玉米、生猪行情 ·  23 小时前  
麒麟出海  ·  电商爆发!拉美市场成为全球投资者的新宠 ·  2 天前  
麒麟出海  ·  电商爆发!拉美市场成为全球投资者的新宠 ·  2 天前  
网购投诉平台  ·  【315报告】“深海教育”2024电诉宝用户 ... ·  3 天前  
漳视新闻  ·  刚刚通知:退钱了!退钱了!退钱了! ·  3 天前  
漳视新闻  ·  刚刚通知:退钱了!退钱了!退钱了! ·  3 天前  
亿邦动力  ·  TikTok ... ·  3 天前  
51好读  ›  专栏  ›  传感器技术

运放设计经验谈:运放十坑

传感器技术  · 公众号  ·  · 2017-11-07 06:25

正文



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。点解?


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。


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,最大还可以增加到90°:


这样相位就到了-180°,这有什么问题呢?那就是“震荡”。看一下电压负反馈运放的增益:


当某些频率点上的环路增益Aβ等于1,而相位为-180°的时候,这时,Vout/Vin会变成无穷大,电路就不稳定了。因此,当外部增加一个零点时,运放就会在某些频率点进入震荡 ,比如引脚上的分布电容,如下图:


这时,我们 并上一个电容,相当于人为引入一个零点,把拉下去的相位,拉上来 ,但是,这个分布电容一般很小,使得它环路增益Aβ等于1的位置非常远,在这么远的频点上,运放早就不能正常工作了。而看手册这个运放自身在100k的时候,相位余量相当的高,超过了90°,完全不需要增加额外的补偿电容。



对于跟随电路,由于存在负反馈,基本上可认为正相输入端电压和负相输入端电压是同一个值,而这颗运放在5V供电时,它的共模输入范围是-0.1V至1.5V。因此,当输入电压在1.5V左右的时候,运放就存在不能正常线性跟随的情况。


为什么不能跟随呢?来看一个三极管放大电路,它也是运放的组成部分之一,来进行举例说明。

当输入的Vb发生变化时,Ie就会随着Vb发生相应的变化,从而引起Vc的变化,这就是跟随。若Vb继续增大到,使得Vc=Vcc-Ie x Rc计算值为负数的时候,而实际上Ie x Rc并不能超过Vcc,这时放大电路达到饱和甚至电流反相,导致输出电压固定或削峰或反向等。


6.运放十坑之不可忽略的压摆率

做1pps驱动电路,要求上升沿≤5ns,FPGA输出的信号用运放跟随增强驱动后,发现上升沿达不到要求。为什么呢?因为没有考虑到一个重要的指标,压摆率。压摆率是指: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。即 输入一个理想的阶跃信号,输出会是一个带斜率信号,这个信号的爬升速率就是压摆率。


看一下这个运放的压摆率:


根本达不到要求啊,5ns只能爬升20mV,所以,上升沿根本达不到设计需求。怎么办呢?后期飞线增加了一个脉冲增强电路。


脉冲增强电路C4和R4,相当于一个微分电路C4和RL(当C x RL远小于压摆率时间)加一个直流电阻R4,使得负载RL上的信号边沿变得更加陡峭。分析一下:







请到「今天看啥」查看全文