【技術(shù)帖】開年第一篇干貨——鼎鼎大名的運(yùn)算放大器，你知多少？
2023-01-30
提到運(yùn)算放大器（下文簡稱：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，傳感器一類的信號調(diào)理應(yīng)用是它的主場，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PIN腳，如Fig.1所示：
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：
Fig.2 運(yùn)放開環(huán)輸入輸出關(guān)系
簡單來說就是運(yùn)放的輸出等于輸入端的差值乘Aol。這個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)時運(yùn)放會把輸入端所有細(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)放的輸出一般只會存在兩個極端值，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，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)是選型時經(jīng)常關(guān)注的呢？請看下文：
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，對于未經(jīng)處理、擁有正負(fù)半周的交流信號具有更大的動態(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。此時若不調(diào)整電路，則運(yùn)放對于負(fù)半周的信號失去處理能力，如Fig.3所示：
Fig.3 運(yùn)放單電源錯誤工作狀態(tài)
因此單電源供電時需要外部提供一個虛地，將輸入信號抬高至運(yùn)放輸出范圍內(nèi)，通常這個虛地電壓為VCC/2。注意此時需要在反相輸入端加隔直電容C1，如Fig.4所示：
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)放的輸入級差分對的兩個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，也會存在一個微小的輸出。為了抵消這個因失調(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)放的兩個輸入端并非完全斷路沒有電流。事實(shí)上運(yùn)放輸入級MOSFET需要一個基極電流來提供直流工作點(diǎn)，因此正常工作中運(yùn)放的兩個輸入端都會有電流流過，此時兩個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
對于大信號的處理，一方面要關(guān)注運(yùn)放的帶寬是否滿足信號頻率需求，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，簡單說就是輸出信號邊沿的最大變化速度。如下圖所示，信號在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，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中需求輸出的信號幅值和頻率，計(jì)算出運(yùn)放所需的最小壓擺率。
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)放信號處理的動態(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，因此可以為信號提供盡可能大的動態(tài)范圍。
Fig.6 輸出軌到軌
Fig.7輸出非軌到軌
在選型的時候要注意的是，這一參數(shù)與輸出電流相關(guān)，重載時輸出電壓會低于Electrical Table 中的典型值，因此需要關(guān)注芯片手冊中給出的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)用的時候，除了關(guān)注以上這些手冊上的參數(shù)，還有很多容易踩到的“坑”，比如以下的幾個例子在運(yùn)放應(yīng)用中需要格外注意：
1.噪聲增益和信號增益與增益帶寬積
比如在一個需要對微弱信號進(jìn)行放大的應(yīng)用場合，需要把一個400kHz的信號放大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。此時環(huán)路的信號增益，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)測的時候卻發(fā)現(xiàn)信號衰減遠(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“增益”并非信號增益，而是噪聲增益NG。對于同相比例放大器，環(huán)路的信號增益為：
而對于反相比例放大器，其環(huán)路的信號增益為：
而這兩種放大電路的噪聲增益都為：
可以看出對于同相放大電路，它的噪聲增益和信號增益數(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MOS管的導(dǎo)通阻抗相關(guān)，因此實(shí)際輸出時的負(fù)載電流以及溫度都會影響最大輸出電壓這個指標(biāo)。因此需要關(guān)注芯片手冊中給出的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應(yīng)的輸出電壓需求。
3.運(yùn)放的建立時間和后級ADC采樣
在一些應(yīng)用場合中，運(yùn)放輸出的信號通過ADC進(jìn)行采樣，這時候會出現(xiàn)一種現(xiàn)象：在信號穩(wěn)定時，ADC采集的值很準(zhǔn)確，但是信號變化時數(shù)據(jù)就很不穩(wěn)定。這個現(xiàn)象的原因在于運(yùn)放的輸出端發(fā)生信號跳變的時候，并非穩(wěn)定的過程，而是一個振蕩的過程。運(yùn)放有一項(xiàng)指標(biāo)叫建立時間，表征的就是運(yùn)放的輸出電壓趨于穩(wěn)定的時間，因此在這個時間段內(nèi)，運(yùn)放的輸出處于振蕩狀態(tài)，對于高采樣率的ADC而言，這個階段就會產(chǎn)生一定的誤差。此時可以調(diào)節(jié)ADC的采樣率，適當(dāng)增加采樣時間，把信號建立階段的帶來的影響降低。
Fig.8 運(yùn)放輸出的建立時間[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)放的每個輸入端，當(dāng)這些電流流過電阻的時候就會產(chǎn)生壓降形成誤差。對于像艾為AWS90001一類的低失調(diào)電流運(yùn)放來說，低至pA級的失調(diào)電流至少需要高達(dá)GΩ級別的電阻才會引入一個mV級的電壓，因此這時基本可以忽略失調(diào)電流的影響。但是對于非低失調(diào)類的運(yùn)放來說，有些運(yùn)放的失調(diào)電流能達(dá)到uA級別，這時環(huán)路中一個百kΩ的電阻就可以造成百mV的誤差，此時失調(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)一個平衡電阻，如下圖所示，這樣在兩個輸入端都會產(chǎn)生一個壓降從而其影響相互抵消。
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，但同時也引入了一個噪聲源，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應(yīng)用
短路電流：38mA，足以滿足應(yīng)用中對負(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，保證了對于交流信號的處理能力
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)用場景，以下是幾種常見的應(yīng)用場景及電路示意圖：
1.掃地機(jī)器人等設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動模塊
MCU給電機(jī)驅(qū)動IC發(fā)出指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人車輪的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等操作，同時電機(jī)驅(qū)動IC通過外置采樣電阻，結(jié)合AWS90001進(jìn)行電流檢測與反饋，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人堵轉(zhuǎn)檢測等功能。
2. 溫度傳感器
熱敏電阻RT兩端的電壓作為差分信號輸入到配置為差分放大器的AWS90001，使信號被放大方便后級ADC處理，同時可以有效排除共模干擾。
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級或者mA級，因此可以通過AWS90001組成跨阻放大器將微弱的電流信號放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號，提供給后級進(jìn)行處理和分析。
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，形成氧化電流。通過檢測電流變化與葡萄糖濃度近似線性關(guān)系，從而達(dá)到檢測血糖濃度的目的。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)換成電壓信號并放大，輸出至ADC模塊給MCU進(jìn)行處理。
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)也會推出更多優(yōu)秀的新產(chǎn)品以應(yīng)對更多的應(yīng)用場景，滿足客戶的不同需求，敬請期待！
*參考文獻(xiàn)：
[1] analog ADALM2000實(shí)驗(yàn)：運(yùn)算放大器建立時間
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