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艾為電子:鼎鼎大名的運(yùn)算放大器,你知多少?

發(fā)布時(shí)間:2023-02-03 來源:艾為電子 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】提到運(yùn)算放大器(下文簡(jiǎn)稱:運(yùn)放),很多人肯定覺得既熟悉又陌生。大家可能都在書本上或者工作中聽到過它的大名,但真正用過運(yùn)放的人就相對(duì)較少。其實(shí)運(yùn)放是一種十分常見的電路單元,傳感器一類的信號(hào)調(diào)理應(yīng)用是它的主場(chǎng),此外運(yùn)放還常被用作比較器、比例放大器、積分器等,在各類電子產(chǎn)品中發(fā)揮著舉足輕重的作用。


前言


提到運(yùn)算放大器(下文簡(jiǎn)稱:運(yùn)放),很多人肯定覺得既熟悉又陌生。大家可能都在書本上或者工作中聽到過它的大名,但真正用過運(yùn)放的人就相對(duì)較少。其實(shí)運(yùn)放是一種十分常見的電路單元,傳感器一類的信號(hào)調(diào)理應(yīng)用是它的主場(chǎng),此外運(yùn)放還常被用作比較器、比例放大器、積分器等,在各類電子產(chǎn)品中發(fā)揮著舉足輕重的作用。它還可以作為緩沖器用于電源后級(jí)給芯片供電。今天小為就給大家講講到底什么是運(yùn)放,該怎么選運(yùn)放,以及怎么回避運(yùn)放應(yīng)用中的各種“坑”。


運(yùn)放是什么?

運(yùn)放是一種具有一定放大倍數(shù)的電路單元,通常結(jié)合外部反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊,如緩沖器、比例放大器、加法器、積分器等。以艾為的運(yùn)放AWS90001為例,其是一款單通道的低壓、低功耗、軌到軌運(yùn)算放大器,有五個(gè)PIN腳,如Fig.1所示:

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Fig.1 單通道運(yùn)算放大器示意圖

其中IN+和IN-分別是同相輸入端和反相輸入端,V+和V-是運(yùn)放的電源,OUT是輸出。在不加任何外部環(huán)路也就是開環(huán)情況下,運(yùn)放的輸入和輸出維持以下關(guān)系:

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Fig.2 運(yùn)放開環(huán)輸入輸出關(guān)系

簡(jiǎn)單來說就是運(yùn)放的輸出等于輸入端的差值乘Aol。這個(gè)Aol稱之為開環(huán)增益,一般在60dB-160dB即1000到1億左右,也就是說開環(huán)時(shí)運(yùn)放會(huì)把輸入端所有細(xì)小的壓差放大數(shù)千或數(shù)萬倍。運(yùn)放的輸出不能超過其電源電壓,而運(yùn)放的供電電壓一般也為幾V到十幾V,所以開環(huán)狀態(tài)下,運(yùn)放的輸出一般只會(huì)存在兩個(gè)極端值,即上探到最高輸出電壓,或者下探到最低輸出電壓。這時(shí)就需要通過在一開始所提及的外部反饋網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)入閉環(huán)工作狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)各種功能。

運(yùn)放怎么選?

相信很多人都遇到過同樣的窘境:翻開運(yùn)放手冊(cè),種種不常見的電氣參數(shù)導(dǎo)致選型無從下手。那么到底有哪些參數(shù)是選型時(shí)經(jīng)常關(guān)注的呢?請(qǐng)看下文:

1.Vs 電源電壓
運(yùn)放作為有源器件自然不能缺少外部供電,而其比較特殊的地方就在于大多數(shù)運(yùn)放支持正負(fù)電源供電。當(dāng)運(yùn)放采用正負(fù)雙電源供電時(shí),對(duì)于未經(jīng)處理、擁有正負(fù)半周的交流信號(hào)具有更大的動(dòng)態(tài)范圍。而實(shí)際應(yīng)用中少有能提供負(fù)電源的情況,因此運(yùn)放常工作在單電源供電狀態(tài),即V-接地,由V+供電。此時(shí)若不調(diào)整電路,則運(yùn)放對(duì)于負(fù)半周的信號(hào)失去處理能力,如Fig.3所示:

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Fig.3 運(yùn)放單電源錯(cuò)誤工作狀態(tài)

因此單電源供電時(shí)需要外部提供一個(gè)虛地,將輸入信號(hào)抬高至運(yùn)放輸出范圍內(nèi),通常這個(gè)虛地電壓為VCC/2。注意此時(shí)需要在反相輸入端加隔直電容C1,如Fig.4所示:

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Fig.4 運(yùn)放單電源正常工作狀態(tài)

2.VOS 失調(diào)電壓
書本上學(xué)過的理想運(yùn)放,存在兩個(gè)重要概念,即“虛短”和“虛斷”。其中“虛短”的定義是在開環(huán)增益足夠大且存在負(fù)反饋情況下,運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端之間電位相等,近似短路,因此無輸入時(shí)理想運(yùn)放輸出應(yīng)當(dāng)為0。但是現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)放,由于實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中運(yùn)放的輸入級(jí)差分對(duì)的兩個(gè)MOSFET由于工藝誤差等原因無法做到完全一樣,因此在無輸入時(shí),也會(huì)存在一個(gè)微小的輸出。為了抵消這個(gè)因失調(diào)而產(chǎn)生的輸出,在輸入端加入的直流電壓稱為失調(diào)電壓。在實(shí)際應(yīng)用中,失調(diào)電壓的存在相當(dāng)于引入了一個(gè)誤差,使得運(yùn)放的輸出結(jié)果和理論值存在差異,降低了信號(hào)處理的精度。

3. Ib/Ios 偏置電流/失調(diào)電流
和理想運(yùn)放的“虛斷”不同的是,實(shí)際運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并非完全斷路沒有電流。事實(shí)上運(yùn)放輸入級(jí)MOSFET需要一個(gè)基極電流來提供直流工作點(diǎn),因此正常工作中運(yùn)放的兩個(gè)輸入端都會(huì)有電流流過,此時(shí)兩個(gè)輸入端電流的平均值稱為Ib偏置電流,差值稱為Ios。輸入端存在的電流會(huì)在輸入電阻上形成壓降,從而引入誤差影響輸出精度。

4.GBW增益帶寬積
這項(xiàng)參數(shù)正如其字面意思,表示運(yùn)放在閉環(huán)工作狀態(tài)下,其環(huán)路的噪聲增益和帶寬的乘積。噪聲增益這一概念較為少見,其值等于同相放大電路的信號(hào)增益,即Noise Gain=1+R2/R1,其中R1為輸入電阻阻值,R2為反饋電阻阻值。

增益帶寬積為定值,意味著閉環(huán)運(yùn)放的增益和帶寬是成反比的,增益越大,其帶寬就越低,因此選型的時(shí)候要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的增益和帶寬需求進(jìn)行篩選。

5.SR 壓擺率
對(duì)于大信號(hào)的處理,一方面要關(guān)注運(yùn)放的帶寬是否滿足信號(hào)頻率需求,另一方面就是關(guān)注壓擺率是否滿足需求。壓擺率定義為輸入端信號(hào)的階躍變化導(dǎo)致的輸出端電壓變化的速度,單位一般為V/us,簡(jiǎn)單說就是輸出信號(hào)邊沿的最大變化速度。如下圖所示,信號(hào)在1us內(nèi)上升了2V,因此其壓擺率SR=2V/1us=2V/us。在運(yùn)放選型時(shí),需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中需求輸出的信號(hào)幅值和頻率,計(jì)算出運(yùn)放所需的最小壓擺率。

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Fig.5 壓擺率示意圖

6. Vo 運(yùn)放的輸出電壓(擺幅)
運(yùn)放的輸出電壓受到供電電源的限制,不能超過其電源電壓,那最大輸出是否一定能夠等于電源電壓呢?答案是否定的,手冊(cè)中該參數(shù)就表明運(yùn)放的最大輸出幅值或者是最大輸出和電源軌的距離(稱之為擺幅)。事實(shí)上由于運(yùn)放輸出級(jí)的MOSFET必然存在一定的導(dǎo)通電阻,因此電流流過必然產(chǎn)生壓降,導(dǎo)致輸出電壓不可能完全等于電源電壓。受限于內(nèi)部設(shè)計(jì)等原因,有些運(yùn)放的最大輸出和電源電壓之間相差較多,這就限制了運(yùn)放信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)范圍。但是有一類運(yùn)放我們稱為軌到軌運(yùn)放,其最大輸出電壓僅比電源電壓低幾十毫伏,因此可以為信號(hào)提供盡可能大的動(dòng)態(tài)范圍。

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Fig.6 輸出軌到軌

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Fig.7輸出非軌到軌

在選型的時(shí)候要注意的是,這一參數(shù)與輸出電流相關(guān),重載時(shí)輸出電壓會(huì)低于Electrical Table 中的典型值,因此需要關(guān)注芯片手冊(cè)中給出的Vo vs Io 曲線,確認(rèn)在實(shí)際應(yīng)用所需的輸出電流下對(duì)應(yīng)的輸出電壓需求。

運(yùn)放應(yīng)用有哪些“坑”?

在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候,除了關(guān)注以上這些手冊(cè)上的參數(shù),還有很多容易踩到的“坑”,比如以下的幾個(gè)例子在運(yùn)放應(yīng)用中需要格外注意:

1.噪聲增益和信號(hào)增益與增益帶寬積
比如在一個(gè)需要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大的應(yīng)用場(chǎng)合,需要把一個(gè)400kHz的信號(hào)放大2倍,又考慮到反相放大器的虛地有更強(qiáng)的抗干擾能力,因此采用反相放大配置。此時(shí)環(huán)路的信號(hào)增益,根據(jù)反相放大電路的增益公式應(yīng)當(dāng)是G=-R2/R1=-2。因此根據(jù)400kHz的頻率和G=2的增益選擇了增益帶寬積為1M的運(yùn)放,看起來似乎還留了一定的裕量,但是實(shí)測(cè)的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)信號(hào)衰減遠(yuǎn)超預(yù)期,問題出在哪里呢?

實(shí)際上增益帶寬積定義中的這個(gè)“增益”并非信號(hào)增益,而是噪聲增益NG。對(duì)于同相比例放大器,環(huán)路的信號(hào)增益為:

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而對(duì)于反相比例放大器,其環(huán)路的信號(hào)增益為:

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而這兩種放大電路的噪聲增益都為:

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可以看出對(duì)于同相放大電路,它的噪聲增益和信號(hào)增益數(shù)值上是相等的,但是在反相放大電路中卻不同。因此案例中反相放大2倍的配置,實(shí)際的噪聲增益應(yīng)該是NG=1+R2/R1=3,進(jìn)一步算出最小的增益帶寬積應(yīng)該是1.2M,所以選用1M的運(yùn)放遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2.軌到軌運(yùn)放的輸出電壓
在上述內(nèi)容提到過,所謂的軌到軌運(yùn)放其實(shí)也并不是真的能夠達(dá)到電源軌,只是更加接近電源軌。并且其與輸出級(jí)MOS管的導(dǎo)通阻抗相關(guān),因此實(shí)際輸出時(shí)的負(fù)載電流以及溫度都會(huì)影響最大輸出電壓這個(gè)指標(biāo)。因此需要關(guān)注芯片手冊(cè)中給出的Vo vs Io 曲線,確認(rèn)在實(shí)際應(yīng)用的輸出電流和溫度下對(duì)應(yīng)的輸出電壓需求。

3.運(yùn)放的建立時(shí)間和后級(jí)ADC采樣
在一些應(yīng)用場(chǎng)合中,運(yùn)放輸出的信號(hào)通過ADC進(jìn)行采樣,這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一種現(xiàn)象:在信號(hào)穩(wěn)定時(shí),ADC采集的值很準(zhǔn)確,但是信號(hào)變化時(shí)數(shù)據(jù)就很不穩(wěn)定。這個(gè)現(xiàn)象的原因在于運(yùn)放的輸出端發(fā)生信號(hào)跳變的時(shí)候,并非穩(wěn)定的過程,而是一個(gè)振蕩的過程。運(yùn)放有一項(xiàng)指標(biāo)叫建立時(shí)間,表征的就是運(yùn)放的輸出電壓趨于穩(wěn)定的時(shí)間,因此在這個(gè)時(shí)間段內(nèi),運(yùn)放的輸出處于振蕩狀態(tài),對(duì)于高采樣率的ADC而言,這個(gè)階段就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。此時(shí)可以調(diào)節(jié)ADC的采樣率,適當(dāng)增加采樣時(shí)間,把信號(hào)建立階段的帶來的影響降低。

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Fig.8 運(yùn)放輸出的建立時(shí)間[1]

4.失調(diào)電流與平衡電阻
上文提到失調(diào)電流存在于運(yùn)放的每個(gè)輸入端,當(dāng)這些電流流過電阻的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生壓降形成誤差。對(duì)于像艾為AWS90001一類的低失調(diào)電流運(yùn)放來說,低至pA級(jí)的失調(diào)電流至少需要高達(dá)GΩ級(jí)別的電阻才會(huì)引入一個(gè)mV級(jí)的電壓,因此這時(shí)基本可以忽略失調(diào)電流的影響。但是對(duì)于非低失調(diào)類的運(yùn)放來說,有些運(yùn)放的失調(diào)電流能達(dá)到uA級(jí)別,這時(shí)環(huán)路中一個(gè)百kΩ的電阻就可以造成百mV的誤差,此時(shí)失調(diào)電流的影響就不可忽略了。一般的解決方案是在另一輸入端串聯(lián)一個(gè)平衡電阻,如下圖所示,這樣在兩個(gè)輸入端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降從而其影響相互抵消。

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Fig.9 加入平衡電阻的反相比例放大電路

這里需要注意的是,平衡電阻的引入雖然補(bǔ)償了失調(diào)電流的影響,但同時(shí)也引入了一個(gè)噪聲源,因此若本就采用了低失調(diào)運(yùn)放且失調(diào)電流影響可忽略的情況下,不建議添加額外的電阻。

艾為“芯”運(yùn)放

艾為AWS90001是一款低壓、低功耗、軌到軌運(yùn)算放大器。

主要特性
  • 工作電壓:1.8V-5.5V,支持低至1.8V的低壓應(yīng)用場(chǎng)合,且支持單電源或正負(fù)電源供電

  • 靜態(tài)功耗:66μA

  • 輸入和輸出范圍:支持軌到軌輸入和輸出,2kΩ負(fù)載下典型輸出擺幅僅35mV

  • 失調(diào)電流:±1pA,可支持較高精度的電流檢測(cè)應(yīng)用

  • 短路電流:38mA,足以滿足應(yīng)用中對(duì)負(fù)載抽或者灌電流的需求

  • 失調(diào)電壓:±0.4mV

  • 增益帶寬積:1MHz

  • 壓擺率:2V/us,保證了對(duì)于交流信號(hào)的處理能力

  • 封裝:WBDFN 0.8mmx0.8mmx0.37mm–5L,極小尺寸封裝支持小型化設(shè)備

    *此外,常用于IoT設(shè)備、家用電器或工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域的SOT23-5封裝產(chǎn)品也即將亮相。


應(yīng)用場(chǎng)景
艾為AWS90001作為一顆通用型運(yùn)算放大器,適用多種應(yīng)用場(chǎng)景,以下是幾種常見的應(yīng)用場(chǎng)景及電路示意圖:

1.掃地機(jī)器人等設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
MCU給電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC發(fā)出指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人車輪的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等操作,同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC通過外置采樣電阻,結(jié)合AWS90001進(jìn)行電流檢測(cè)與反饋,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人堵轉(zhuǎn)檢測(cè)等功能。

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2. 溫度傳感器

熱敏電阻RT兩端的電壓作為差分信號(hào)輸入到配置為差分放大器的AWS90001,使信號(hào)被放大方便后級(jí)ADC處理,同時(shí)可以有效排除共模干擾。

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3. 光電傳感器
光電二極管產(chǎn)生的電流和照射在其上的光照強(qiáng)度成正比,但是其輸出電流常為μA級(jí)或者mA級(jí),因此可以通過AWS90001組成跨阻放大器將微弱的電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),提供給后級(jí)進(jìn)行處理和分析。

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4. 血糖儀
生物傳感器葡萄糖氧化酶電極利用電化學(xué)傳感器進(jìn)行血糖測(cè)試。由化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電子被導(dǎo)電介質(zhì)轉(zhuǎn)移給電極,在電壓的作用下發(fā)生定向流動(dòng),形成氧化電流。通過檢測(cè)電流變化與葡萄糖濃度近似線性關(guān)系,從而達(dá)到檢測(cè)血糖濃度的目的。由電化學(xué)傳感器產(chǎn)生的微弱電流經(jīng)過AWS90001構(gòu)成的跨組放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大,輸出至ADC模塊給MCU進(jìn)行處理。

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目前艾為也繼續(xù)在積極開發(fā)新的產(chǎn)品,包括運(yùn)放系列后續(xù)也會(huì)推出更多優(yōu)秀的新產(chǎn)品以應(yīng)對(duì)更多的應(yīng)用場(chǎng)景,滿足客戶的不同需求,敬請(qǐng)期待!

*參考文獻(xiàn):

[1] analog ADALM2000實(shí)驗(yàn):運(yùn)算放大器建立時(shí)間

(來源:艾為電子,作者:托馬獅)


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