電(diàn)路设计中通用(yòng)运算放大器

2020-08-06

任何電(diàn)路的成功都主要取决于您选择合适的组件来完成工作的能(néng)力。電(diàn)子商(shāng)務(wù)中的每个公司都在努力选择通用(yòng)IC。许多(duō)工程师第一选择的晶體(tǐ)管，逻辑门或SMD LED。我知道高效率的反向安装蓝色LED给我的眼睛带来了幼稚的喜悦之泪，而我并不是其中的一个。建立一个 可(kě)以反复使用(yòng)的大量组件库  可(kě)以降低生产成本，并简化将新(xīn)产品投放市场所需的工程工作。

作為(wèi)我们武器库中最灵活的模拟组件，选择正确的运算放大器尤為(wèi)关键。正确的运算放大器可(kě)以在永无止境的质量和性能(néng)争夺与平稳，長(cháng)达十年的生产之间发挥作用(yòng)，而您几乎不必费劲。

诸如FPGA和计算机处理(lǐ)器之类的巨大硅片的定价主要取决于硅芯片的表面积（包括其对成品率的影响），诸如5nm之类的密集工艺工艺的稀缺性，知识产权，研究与开发。小(xiǎo)型模拟和数字组件不会遵循相同的规则。我们可(kě)以认為(wèi)是有(yǒu)效的通用(yòng)选择的许多(duō)运算放大器已有(yǒu)20多(duō)年的历史，并且已售出数十亿件。長(cháng)期以来，所有(yǒu)的研究和开发成本都已经收回，并且制造过程已经成功运行了数十年，同时在多(duō)个不同的经济领域内并行进行。

批量購(gòu)买时，简单，通用(yòng)且质量稳定的IC通常很(hěn)贵，特别是当不是直接从工厂而是通过中间商(shāng)購(gòu)买时。大部分(fēn)成本是由于裸模，测试，包装和运输所致。

单電(diàn)路和多(duō)電(diàn)路运算放大器的价格之间没有(yǒu)太大差异，因為(wèi)大部分(fēn)过程是相同的。

使用(yòng)多(duō)電(diàn)路运算放大器可(kě)以节省電(diàn)路板空间，去耦電(diàn)容器和组装成本。附加的运算放大器还可(kě)以用(yòng)于提高性能(néng)和可(kě)靠性，例如，通过在精密的模拟子電(diàn)路中增加输入和输出跟随器，使其性能(néng)与電(diàn)源和负载的阻抗无关。

只要有(yǒu)可(kě)能(néng)，就应该将多(duō)个单独的运算放大器合并為(wèi)一个IC。在开发阶段，保留一些未使用(yòng)的运算放大器也可(kě)以為(wèi)您提供帮助。

電(diàn)源供应

运算放大器最关键的電(diàn)源参数是其電(diàn)源電(diàn)压范围，功耗和PSRR（電(diàn)源抑制比）。

与大多(duō)数模拟   IC 相似，运算放大器的功耗  通常以毫安（或微安）而不是毫瓦為(wèi)单位。

您的電(diàn)源要求将取决于您的产品是否由電(diàn)池供電(diàn)。在过去的十年中，我们已经拥有(yǒu)了新(xīn)一代的低功耗和高精度运算放大器，但价格尚未下降到可(kě)以连续生产40多(duō)年的IC的水平。在现代CMOS设计中，典型的功耗是几微瓦，但是毫瓦BJT范围仍然是最实惠的。

对于通用(yòng)运算放大器，超过100dB的PSRR无疑已成為(wèi)“不必担心”的领域。

LM324DT具有(yǒu)100dB的PSRR，375uA的電(diàn)源電(diàn)流（是四个放大器的1.5mA的乘积），并且可(kě)在5V的電(diàn)压下使用(yòng)。数据手册规定了从3V开始的单電(diàn)源供電(diàn)，但在1.5V时基本上只有(yǒu)一半的输入電(diàn)压可(kě)用(yòng)，并且输出電(diàn)流能(néng)力有(yǒu)限，因此几乎不值得考虑。

為(wèi)了在3.3V下使用(yòng)，我强烈建议使用(yòng)轨到轨输入和输出（RRIO）CMOS运算放大器，例如Microchip的MCP6001。这款运算放大器是有(yǒu)史以来最畅销的IC之一，这主要是因為(wèi)其成本低廉，而且价格低廉，但仍需要权衡取舍。与价格类似的BJT运算放大器相比，失调電(diàn)压相当中等。如果PCB设计不当，则皮安输入電(diàn)流可(kě)能(néng)会出现问题。在所有(yǒu)设计中实施保护痕迹可(kě)能(néng)会很(hěn)烦人，并且低偏置電(diàn)流会使您的電(diàn)路板由于环境污染和制造工艺而导致性能(néng)变化。

实施  保护跟踪  并不总是像数据表所暗示的那么简单

近年来，许多(duō)PCB组装商(shāng)已改用(yòng)完全免清洗或水溶性助焊剂来减少环境污染。这种变化使我為(wèi)我们的行业感到自豪，但是如果清洗不正确的水溶性助焊剂会留下吸湿性残留物(wù)。当这些残留物(wù)被环境湿度激活时，会引起漏電(diàn)流的增加。在输入偏置電(diàn)流的数量级至少為(wèi)几纳安的数量级的设计中，这很(hěn)少出现问题，但是在使用(yòng)具有(yǒu)皮安级输入電(diàn)流的CMOS运算放大器时必须格外小(xiǎo)心。

输入项

我一直希望通用(yòng)放大器提供低输入失调電(diàn)压，对于大多(duō)数应用(yòng)来说足够低的偏置電(diàn)流，但又(yòu)不会太低，以至于使我们的PCB设计与保护走線(xiàn)变得复杂。这些输入可(kě)以尽可(kě)能(néng)靠近電(diàn)源轨和良好的CMRR（共模抑制比）。

如果运算放大器不能(néng)足够接近地面，我们就不能(néng)在没有(yǒu)求助于虚拟地面的情况下将其实际用(yòng)作同相放大器单電(diàn)源操作。与ADC的接口也变得越来越困难，尤其是当ADC嵌入微控制器时。

靠近上部供应导轨完全是另一回事。

轨到轨运算放大器在靠近上部電(diàn)源轨时往往会权衡诸如输入偏置電(diàn)流和共模抑制比（CMRR）之类的性能(néng)。它们中的一些采用(yòng)集成的電(diàn)荷泵電(diàn)路来产生高于顶轨的内部電(diàn)压，但是管芯中的硅電(diàn)容器增加了成本和复杂性。业界花(huā)了很(hěn)多(duō)年才能(néng)达到标准运算放大器和RRIO放大器之间可(kě)比的性能(néng)，而多(duō)年来，标准运算放大器已经变得越来越便宜。

最后，靠近上部電(diàn)源导轨很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，但在大多(duō)数应用(yòng)中不是必需的。可(kě)以将大多(duō)数電(diàn)路设计成在地和4V之间工作，而不是在地和5V之间工作。这些数字不会那么漂亮和全面，但是生活中最糟糕的悲剧。

输入失调電(diàn)压应保持在5mV（0-5V范围的1/1000）以下，以便在最广泛的通用(yòng)应用(yòng)范围内使用(yòng)。

低于100nA的偏置電(diàn)流应足以满足大多(duō)数实际用(yòng)途。使用(yòng)100K输入電(diàn)阻器，这相当于增加了10mV的失调。

LM324ST的偏置電(diàn)流為(wèi)20nA，相当于100Kohm偏置電(diàn)压下的2mV，与3mV偏置電(diàn)压的幅度相同（在环境温度下最差）。

输出量

我希望运算放大器在以5V供電(diàn)时具有(yǒu)至少20mA的输出電(diàn)流，以驱动简单的RC低频滤波器，并且对于缓冲输出很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。

理(lǐ)想情况下，输出摆幅应尽可(kě)能(néng)靠近轨，但只有(yǒu)CMOS RRIO（轨至轨输入和输出）运算放大器才允许这样做。

与输入偏置電(diàn)流和CMRR随着输入共模電(diàn)压接近轨而变得最糟的情况类似，当接近V +时，CMOS放大器的输出级通常表现不佳。

许多(duō)模拟  電(diàn)路  需要串联两个或多(duō)个运算放大器，因此在输入和输出上使用(yòng)性能(néng)相似的IC通常会简化设计。

我最喜欢的运算放大器

选择运算放大器有(yǒu)时可(kě)能(néng)类似于婚姻。明智地选择，您会很(hěn)快变得愤青和专横。但是，如果幸运的话，您会发现自己每天都对自己的选择感到更加感謝(xiè)，最终回头微笑。

没有(yǒu)运算放大器适合所有(yǒu)应用(yòng)。但是我可(kě)以在几乎所有(yǒu)产品中找到一个运放，然后為(wèi)它找到位置，这就是LM324DT。

它也是主要品牌中為(wèi)数不多(duō)的，能(néng)在深圳市场上找到的价格适中的组件之一，价格几乎下降到了0.03美元（相当于4个运算放大器！）。

LM324DT的严重缺点是使用(yòng)5V或3.3V電(diàn)源供電(diàn)时性能(néng)有(yǒu)限。

幸运的是，有(yǒu)许多(duō)类似规格的低压运算放大器可(kě)供选择。德州仪器（TI）生产LM324的低压版本LM324LV。Microchip制造了广受欢迎的MCP6001及其多(duō)電(diàn)路变體(tǐ)。

在设计成本不是首要考虑因素的吟游诗人时，例如像我的霍尔效应设备这样的设计精良的手工工具。CMRR并不是行业中好的，但其他(tā)一切令人震惊。

跟踪所有(yǒu)运算放大器

在过去的几十年中，大多(duō)数设计的電(diàn)源電(diàn)压已大大降低。首先，我们看到了最有(yǒu)名的微控制器系列，它们从5伏转换到3.3V。最近，随着越来越多(duō)的设备采用(yòng)纤薄的单节锂電(diàn)池，降低功耗变得越来越重要，我们见证了1.8V微控制器的兴起。

期望LM324DT和其他(tā)类似的运算放大器在未来几年内会过时并失宠，这并非不合理(lǐ)。如果美國(guó)领先的制造商(shāng)由于无利可(kě)图而决定减产，类似于2018年MLCC危机，那么不可(kě)靠的仿冒品可(kě)能(néng)会充斥市场并引发剧烈的价格波动。

当时代到来时，更现代的低電(diàn)压和低功耗运算放大器将不可(kě)避免地取代我心爱的LM324DT。

供应链问题可(kě)能(néng)使我有(yǒu)点过于戏剧化，但是作為(wèi)工程师，估计并控制未来的不确定性是我们的工作。 与通用(yòng)运算放大器一样普遍存在的组件应在每个项目中进行仔细跟踪和明智地管理(lǐ)。