更换运算放大器时的三个主要注意事项

2021-05-25

更换运算放大器时的三个主要注意事项

当我们讨论更换通用(yòng)或精密電(diàn)压反馈运算放大器时的三个注意事项。这三个注意事项包括运算放大器的输入级拓扑，输出级拓扑和工艺技术。在给定的设计中，每一种都可(kě)能(néng)会导致意想不到的后果，从而可(kě)能(néng)会影响运算放大器的性能(néng)或功能(néng)或两者。

例如，输出级拓扑决定了输出摆幅范围，但也可(kě)能(néng)影响電(diàn)路的稳定性，具體(tǐ)取决于开环输出阻抗Z o。替换运放时的其他(tā)重要考虑因素，例如背对背输入二极管，失调電(diàn)压漂移和输入偏置電(diàn)流漂移，不在本文(wén)的讨论范围之内，但我建议您对它们进行研究。

注意事项1：输入级拓扑（V os与V cm）

传统的单输入对和互补输入对是两种最常见的运算放大器输入级拓扑，如图1所示。图1a描绘了一个输入级，其中包括一对N沟道P沟道N沟道（NPN）晶體(tǐ)管。这样的拓扑通常具有(yǒu)包括负電(diàn)源電(diàn)压的输入共模電(diàn)压范围，但可(kě)能(néng)仅扩展到正電(diàn)源電(diàn)压的1 V或2 V以内。作為(wèi)此缺点的折衷方案，仅具有(yǒu)一对输入级晶體(tǐ)管对的运算放大器具有(yǒu)相对恒定的失调電(diàn)压，因為(wèi)这些晶體(tǐ)管本质上具有(yǒu)良好的匹配性。

图1单PNP晶體(tǐ)管对（a）和互补输入对（b）是常见的运算放大器输入级拓扑。

除了具有(yǒu)此类输入级的器件的共模電(diàn)压范围减小(xiǎo)之外，这些器件还可(kě)能(néng)遭受反相，这在某些运算放大器中会在输入共模電(diàn)压超过線(xiàn)性输入共模范围时发生。在反相过程中，输出電(diàn)压摆到相反的電(diàn)压轨。尽管有(yǒu)板级技术可(kě)以防止这种情况的发生，但存在一个更简单的解决方案：互补对输入级（图1b）。

该拓扑具有(yǒu)一对N沟道金属氧化物(wù)半导體(tǐ)（NMOS）晶體(tǐ)管（当共模電(diàn)压接近正電(diàn)源電(diàn)压时有(yǒu)效）和一对P沟道金属氧化物(wù)半导體(tǐ)（PMOS）晶體(tǐ)管（当共模電(diàn)压接近负電(diàn)源電(diàn)压）。这种拓扑结构可(kě)防止相位反转，并在整个输入電(diàn)源電(diàn)压范围内扩展共模電(diàn)压范围。

虽然这种拓扑扩展了输入共模范围，但在PMOS和NMOS晶體(tǐ)管对之间进行切换会产生偏移電(diàn)压“过渡區(qū)域”，如图2所示。发生这种过渡的共模電(diàn)压以及失调電(diàn)压变化的幅度将取决于运算放大器的设计和工艺技术。具有(yǒu)较大失调電(diàn)压变化的器件通常不被认為(wèi)具有(yǒu)轨到轨输入（RRI），但是对于具有(yǒu)良好匹配的输入级晶體(tǐ)管对的器件，数字校正技术或失调修整通常具有(yǒu)RRI。除了失调電(diàn)压外，其他(tā)规格（例如共模抑制比，带宽，噪声，压摆率和开环增益）通常会降低NMOS工作區(qū)域的性能(néng)。

图2具有(yǒu)互补输入对的输入级包括非RRI（a），RRI（b）和RRI修剪（c）。

值得一提的拓扑是零交叉放大器。零交叉放大器使用(yòng)内部電(diàn)荷泵，并且只有(yǒu)一对输入级晶體(tǐ)管。電(diàn)荷泵在内部提升器件的電(diàn)源電(diàn)压，例如1.8 V，从而确保输入级晶體(tǐ)管对在整个電(diàn)源電(diàn)压范围（RRI）范围内線(xiàn)性工作，并且没有(yǒu)输入失调電(diàn)压过渡區(qū)域（图3）。

图3零交叉运算放大器使用(yòng)一个内部電(diàn)荷泵，并具有(yǒu)一对输入级晶體(tǐ)管。

总之，在更换运算放大器时，请确保共模電(diàn)压范围和输入级拓扑都与原始器件兼容。

考虑因素2：输出级（Z o）

更换运算放大器时要考虑的第二个主要考虑因素是Z o。这在驱动容性负载时尤其重要，因為(wèi)Z o和负载会在运算放大器的环路增益曲線(xiàn)中产生一个极点。该极点会通过在反馈路径中增加延迟来引起稳定性问题，从而降低電(diàn)路的相位裕度。

稳定容性负载的最常见解决方案之一是在负载和运算放大器電(diàn)路之间放置一个隔离電(diàn)阻R iso。R iso通过在传递函数中创建零来补偿极点。但是，零的位置（因此，R iso的值）取决于Z o。因此，不仅要了解Z o的大小(xiǎo)，而且要了解其如何随频率变化，这一点很(hěn)重要。图4描绘了各种Z o曲線(xiàn)以说明这一概念。

图4运算放大器显示出各种Z o曲線(xiàn)。

如果备用(yòng)运算放大器的输出级不同，因此Z o曲線(xiàn)也不同，那么您可(kě)能(néng)需要调整补偿元件。运行用(yòng)于TI仿真的PSpice®是一种相对快速简便的方法，可(kě)以检查设计的相位裕度并根据需要调整组件值。确保在工作台上测量小(xiǎo)信号过冲，以验证仿真结果和设计在现实世界中的可(kě)靠性。

考虑因素3：制程技术（双极与CMOS）

最后，工艺技术会影响许多(duō)运算放大器的规格，包括失调電(diàn)压，漂移，共模和输出摆幅范围，输出電(diàn)压与输出電(diàn)流的关系（爪形曲線(xiàn)），噪声和输入偏置電(diàn)流。深入探讨所有(yǒu)这些规范不在本文(wén)讨论范围之内，但是要强调的几个规范包括输入偏置電(diàn)流和噪声。

与互补金属氧化物(wù)半导體(tǐ)（CMOS）放大器相比，双极放大器或至少具有(yǒu)双极晶體(tǐ)管输入级的运算放大器具有(yǒu)相对较大的输入偏置電(diàn)流。这是因為(wèi)双极性输入级运算放大器的输入偏置電(diàn)流取决于晶體(tǐ)管基极電(diàn)流的大小(xiǎo)，该大小(xiǎo)通常在纳安级范围内。

尽管存在降低双极性放大器输入偏置電(diàn)流的技术（例如，输入偏置電(diàn)流消除），但CMOS放大器的输入偏置電(diàn)流要小(xiǎo)得多(duō)，通常在皮安甚至飞安范围内，因為(wèi)它们的输入偏置電(diàn)流是由泄漏引起的。保护设备输入引脚的静電(diàn)放電(diàn)二极管的電(diàn)流。输入偏置電(diàn)流规范对于在反馈网络中具有(yǒu)大電(diàn)阻器的应用(yòng)以及与高阻抗信号源接口时的应用(yòng)尤其重要。因此，在这些应用(yòng)之一中，如果要用(yòng)双极放大器替换CMOS放大器，请務(wù)必小(xiǎo)心。

除了输入偏置電(diàn)流外，更换运算放大器时还应考虑运算放大器的输入電(diàn)压噪声频谱密度曲線(xiàn)。该曲線(xiàn)绘制了噪声（以纳伏/平方根赫兹為(wèi)单位）与频率的关系。该曲線(xiàn)有(yǒu)两个主要區(qū)域：1 / f和宽带區(qū)域。1 / f區(qū)域表示低频噪声分(fēn)量，该低频噪声分(fēn)量随频率增加而减小(xiǎo)。宽带區(qū)域是高频噪声，通常在整个频率上是恒定的。1 / f“噪声角”是1 / f區(qū)域过渡到宽带區(qū)域的位置。比较运算放大器的噪声性能(néng)时，通常将其视為(wèi)品质因数。通常，双极性放大器比CMOS放大器具有(yǒu)较低的1 / f噪声角。图5 描绘了双极和CMOS放大器的输入電(diàn)压噪声频谱密度曲線(xiàn)。

图5显示了双极性和CMOS放大器的输入電(diàn)压噪声频谱密度的比较。

更换运算放大器时，您还应该考虑宽带噪声和带宽的影响。例如，逻辑上可(kě)以轻松地将6-nV /√Hz，10MHz运算放大器替换為(wèi)3nV /√Hz，50MHz运算放大器。但是，如果设计中没有(yǒu)外部滤波（例如，输出上有(yǒu)RC滤波器），则噪声较低，带宽较大的运算放大器实际上会比噪声较高，带宽较低的运算放大器在输出端产生更多(duō)的噪声。

其他(tā)重要考虑因素

下次需要更换运算放大器时，请确保考虑的不仅仅是電(diàn)源電(diàn)压，封装和引出線(xiàn)。例如，即使两个设备可(kě)能(néng)具有(yǒu)相同的共模電(diàn)压范围，但它们可(kě)能(néng)具有(yǒu)不同的输入级设计。根据原始运算放大器和替换运算放大器的不同，这可(kě)能(néng)会引入一个过渡區(qū)域，当输入信号接近正電(diàn)源时，过渡區(qū)域会导致性能(néng)下降。

同样，两个运算放大器可(kě)能(néng)具有(yǒu)相同的输出摆幅范围，但开环输出阻抗曲線(xiàn)却大不相同。在这种情况下，您应该模拟设计以确保足够的相位裕量。

接下来，用(yòng)双极性运算放大器代替CMOS运算放大器（反之亦然）有(yǒu)很(hěn)多(duō)含义。注意的两个包括输入偏置電(diàn)流和噪声。如果原始设计的反馈网络中有(yǒu)大電(diàn)阻，或者与高阻抗信号源接口，或者两者都有(yǒu)，则比较输入偏置電(diàn)流图。

最后，在比较运放噪声性能(néng)指标和带宽时要格外小(xiǎo)心。仅仅因為(wèi)运算放大器具有(yǒu)较低的1 / f噪声角或较低的宽带噪声，并不一定意味着它对信号路径的影响较小(xiǎo)。