运算放大器

设计放大电路时，随着信号的幅度的增大，输出信号逐渐增大。但会遇到下面两种情况：

1）当输出信号增大到一定程度时，虽然此时的输出信号幅度还没有达到电源轨，但输出信号已经饱和，如图 1。
2）当供电电压一定时，随着负载阻抗的减小，输出信号出现饱和。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-07/wen_zhang_/100050270-101459-1.p…; alt=“图1输出超过电源范围的失真信号"></center><center><i>图1输出超过电源范围的失真信号</i></center>

上述两种情况是由于放大器的输入范围与输出范围这两个参数影响了放大电路。

<strong>输入电压范围（Input VoltageRange）</strong>

模拟工程师电路设计指导手册：放大器可提供放大器电路设计理念，便于您快速借鉴这些理念来满足特定系统需求。每种电路都以“示例定义”的形式呈现。里面包括一些像食谱一样的分布式说明，并且带有能帮助您改进电路从而满足您的设计目标的公式。而且，所有电路都通过SPICE仿真的验证。

<strong>零漂移运算放大器</strong>

一种特殊形式的运算放大器，适用于精密应用，在这些应用中，输入差分信号非常小，输入引脚上的任何偏移都可能在输出端引起严重误差。

这些专用运算放大器除了具有低输入失调电压外，通常还在宽温度和时间范围內具有高共模抑制比（CMRR）、高电源抑制比（PSRR）、高开环增益和较低的漂移。所有这些特性使它们成为精密应用的理想选择，因为这些器件能够精确地测量小的差分电压，并且高开环增益确保良好的闭环增益精度。它们也不太容易受到外界如电源变化、共模电压和温度效应的影响。

零漂移运算放大器特别适合于差分信号较小的精密应用，尤其是低频应用。这包括物联网（IoT）和工业4.0应用（工业物联网IoT）中使用的许多感知方案。

随着在电池供电（或能量采集）应用中趋向使用低功耗、节能传感器，零漂移运算放大器在许多现代应用中尤其有用，如现在正迅速增长的IoT。

<strong>（一）输入偏置电压</strong>

工业和医疗设计推动产品的精度和速度日益提高。模拟集成电路行业总体能够跟上速度的发展要求，但在精度要求上却有所不足。许多系统都竞相迈入1ppm精度之列，特别是如今，1ppm的线性ADC日益普遍。本文将介绍运算放大器的精度局限性，以及如何选择为数不多的有可能达到1ppm精度的运算放大器。另外，我们还将介绍一些针对现有运算放大器局限性的应用改善。

精度（Accuracy）与数值相关：系统特性与绝对真实数值之间的差距。精密（Precision）是以数字形式表示的数值深度。在本文中，我们将使用精度一词，它包括噪声、偏移、增益误差和非线性度等系统测量的所有限制。许多运算放大器的某些误差在ppm量级，但没有个运算放大器的所有误差都达到了ppm量级。例如，斩波放大器可提供ppm级的失调电压、直流线性度和低频噪声，但它们的输入偏置电流和频率线性度存在问题。双极性放大器具有低宽带噪声和良好的线性度，但其输入电流仍可能导致内部电路误差（对于内部电路，我们将使用“应用”一词）。MOS放大器具有出色的偏置电流，但通常在低频噪声和线性度领域存在缺陷。

在本文中，我们将在转换函数中使用大致相当于1ppm的非线性度表现谐波失真的–120dBc失真。

<strong>非ppm放大器类型</strong>

输入电容可能会成为高阻抗和高频运算放大器（op-amp）应用的一个主要规格。值得注意的是，当光电二极管的结电容较小时，运算放大器的输入电容会成为噪声和带宽问题的主导因素。

运算放大器的输入电容和反馈电阻在放大器的响应中产生一个极点，从而影响稳定性并增加较高频率下的噪声增益。因此，稳定性和相位裕量可能会降低，输出噪声可能会增加。实际上，以前的一些C_DM（差模电容）测量技术依据的是高阻抗反相电路、稳定性分析以及噪声分析，这些方法可能会非常繁琐。

许多人偶尔会把运算放大器当比较器使用。一般而言，当您只需要一个简单的比较器，并且您在四运算放大器封装中还有一个“多余”的运算放大器时，这种做法是可行的。只是运算放大器需要相位补偿才能运行，因而把运算放大器用作比较器时其速度会非常低，但是如果对速度要求不高，则运算放大器可以满足需求。偶尔会有人问到我们运算放大器的这种使用方法，因为他们发现这种方法有时有效，有时却不如人们预期的那样效果好。为什么会出现这种情况呢？

许多运算放大器都在输入端之间有电压钳位，其大多数一般都使用背靠背二极管（有时使用两个或者更多的串联二极管）来实施。这些二极管保护输入晶体管免受其基极结点反向击穿的损害。许多IC工艺在差动输入约为6V时便会出现击穿，这会极大地改变或者损坏晶体管。图1显示了NPN输入级，D1和D2提供了这种保护功能。

<strong>简介</strong>

一些运算放大器（运放）具有感性开环输出阻抗，稳定这一类运放可能比阻性输出阻抗的运算放大器更为复杂。最常用的技术之一是使用“断开环路”方法，这涉及到断开闭环电路的反馈环路和查看环路增益以确定相位裕度。一种鲜为人知的方法是使用不需要断开环路的闭环输出阻抗。在本文中，我将讨论如何使用闭环输出阻抗来稳定带阻性或感性开环输出阻抗的运算放大器。

等式1计算闭环输出阻抗Zout，它取决于开环输出阻抗Zo，开环增益Aol，和反馈系数B。方程1表明，随着Aol的减小，Zout增加：

<center>Zout = Zo/(1 + Aol*B) (1)</center>

闭环输出阻抗可以是阻性、感性和双感性的，这取决于开环输出阻抗在运算放大器中的设计。对于带阻性开环输出阻抗的运算放大器，闭环输出阻抗是阻性的，并且因Aol的减小而随频率增加。当Aol减小时，闭环输出阻抗变为感性。对于带感性开环输出阻抗的运算放大器，闭环输出阻抗将具有双感性。

先把问题放出来：能否让低压放大器自举来获得高压缓冲器？

答案当然是可以的！您可以采用具有出色输入特性的运算放大器，并进一步提高其性能，使其电压范围、增益精度、压摆率和失真性能均优于原来的运算放大器。

我曾设计过一个精密电压表的输入，需要一个亚皮安输入单位增益放大器/缓冲器，其低频噪声小于1μV p-p，失调电压低至大约100μV，非线性误差 小于1 ppm。它还需要在音频和60 Hz频率下具有非常低的交流失真，以便利用不断增强的ADC分辨率。这足够雄心勃勃，但它同时需要使用±50V电源缓冲±40 V信号。缓冲器输入连接到高阻 抗分压器，或直接连接到外部信号。因此，它还必须能够承受静电放电和过压输入的冲击。

可用的亚皮安偏置电流运算放大器并不多。可堪使用的器件常常被称为静电计级放大器，偏置电流低至数十飞安。遗憾的是，这些静电计放大器的低频电压噪声（0.1Hz到10Hz）为几微伏（峰峰值）。此外，其输入失调电压和失调温度系数一般也不符合要求。其共模抑制比(CMRR)和开环增益不够好，难以支持1 ppm线性度。最后，没有一款静电计能够承受高电源电压。

<strong>LTC6240</strong>

比较器是一种带有反相和同相两个输入端以及一个输出端的器件，该输出端的输出电压范围一般在供电的轨到轨之间。运算放大器同样如此。乍看这两者似乎可以互换，但实际上，两者之间还是存在一些重要差异……

比较器用于开环系统，旨在从其输出端驱动逻辑电路，以及在高速条件下工作，通常比较稳定。

运算放大器过驱时可能会饱和，使得恢复速度相对较慢。施加较大差分电压时，很多运算放大器的输入级都会出现异常表现，实际上，运算放大器的差分输入电压范围通常存在限制。运算放大器输出也很少兼容逻辑电路。

但是仍有很多人试图将运算放大器用作比较器。这种做法在低速和低分辨率时或许可行，但是大多数情况下结果并不理想。今天小编就给大家说说这“结果并不理想”的原因。

<strong>1、速度不同</strong>

大多数比较器速度都很快，不过很多运算放大器速度也很快。为什么将运算放大器用作比较器时会造成低速度呢？

比较器用于大差分输入电压，而运算放大器工作时，差分输入电压一般会在负反馈的作用下降至最低。当运算放大器过驱时，有时仅几毫伏也可能导致过载，其中有些放大级可能发生饱和。这种情况下，器件需要相对较长的时间从饱和中恢复，因此，如果发生饱和，其速度将比始终不饱和时慢得多（参见图1）。