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            運算放大器工作原理及誤差分析

            作者: 時間:2012-02-18 來源:網(wǎng)絡 收藏

            本文引用地址:http://www.biyoush.com/article/186912.htm

            全功率帶寬BW:全功率帶寬定義為,在額定的負載時,運放的閉環(huán)增益為1倍條件下,將一個恒幅正弦大信號輸入到運放的輸入端,使運放輸出幅度達到最大(允許一定失真)的信號頻率。這個頻率受到運放轉(zhuǎn)換速率的限制。近似地,全功率帶寬=轉(zhuǎn)換速率/2πVop(Vop是運放的峰值輸出幅度)。全功率帶寬是一個很重要的指標,用于大信號處理中運放選型。

            建立時間:建立時間定義為,在額定的負載時,運放的閉環(huán)增益為1倍條件下,將一個階躍大信號輸入到運放的輸入端,使運放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時間。由于是階躍大信號輸入,輸出信號達到給定值后會出現(xiàn)一定抖動,這個抖動時間稱為穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間+上升時間=建立時間。對于不同的輸出精度,穩(wěn)定時間有較大差別,精度越高,穩(wěn)定時間越長。建立時間是一個很重要的指標,用于大信號處理中運放選型。

            等效輸入噪聲電壓:等效輸入噪聲電壓定義為,屏蔽良好、無信號輸入的的運放,在其輸出端產(chǎn)生的任何交流無規(guī)則的干擾電壓。這個噪聲電壓折算到運放輸入端時,就稱為運放輸入噪聲電壓(有時也用噪聲電流表示)。對于寬帶噪聲,普通運放的輸入噪聲電壓有效值約10~20μV。

            差模輸入阻抗(也稱為輸入阻抗):差模輸入阻抗定義為,運放工作在線性區(qū)時,兩輸入端的電壓變化量與對應的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容,在低頻時僅指輸入電阻。一般產(chǎn)品也僅僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管做輸入級的運放的輸入電阻不大于10兆歐;場效應管做輸入級的運放的輸入電阻一般大于109歐。

            共模輸入阻抗:共模輸入阻抗定義為,運放工作在輸入信號時(即運放兩輸入端輸入同一個信號),共模輸入電壓的變化量與對應的輸入電流變化量之比。在低頻情況下,它表現(xiàn)為共模電阻。通常,運放的共模輸入阻抗比差模輸入阻抗高很多,典型值在108歐以上。

            輸出阻抗:輸出阻抗定義為,運放工作在線性區(qū)時,在運放的輸出端加信號電壓,這個電壓變化量與對應的電流變化量的比值。在低頻時僅指運放的輸出電阻。這個參數(shù)在開環(huán)測試。

            3. 的對信號放大的影響和運放的選型
            由于芯片型號眾多,即使按照上述辦法分類,種類也不少,細分就更多了,這對于初學者就難免犯暈。本節(jié)力求通過幾個實際電路的分析,明確的對信號放大的影響,最后總結(jié)如何選擇運放。

            CA3140的主要指標為:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓 μV 5000
            輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 8
            輸入失調(diào)電流 pA 0.5
            輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 0.005

            這樣可以計算出,在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 5000
            輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 0.0045
            合計本項誤差為 μV 5000
            輸入信號200mV時的相對誤差 % 2.5
            輸入信號100mV時的相對誤差 % 5
            輸入信號 25mV時的相對誤差 % 20
            輸入信號 10mV時的相對誤差 % 50
            輸入信號 1mV時的相對誤差 % 500

            初步結(jié)論是:高阻運放的輸入失調(diào)電流很小,它造成的誤差遠遠不及輸入失調(diào)電壓造成的誤差,可以忽略;而輸入失調(diào)電壓造成的誤差仍然不小,但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調(diào)零消除。

            這樣可以計算出,0~25℃的溫度漂移造成的影響如下:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 200
            輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 0.001
            合計本項誤差為 μV 200
            輸入信號200mV時的相對誤差 % 0.1
            輸入信號100mV時的相對誤差 % 0.2
            輸入信號 25mV時的相對誤差 % 0.8
            輸入信號 10mV時的相對誤差 % 2
            輸入信號 1mV時的相對誤差 % 20

            初步結(jié)論是:高阻運放的輸入失調(diào)電流溫漂很小,它造成的誤差遠遠不及輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差,可以忽略;在使用高阻運放時,由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大,造成的影響較大,使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。
            由于高阻運放的輸入失調(diào)電流只有通用運放的千分之一,因此若其它條件不變,僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍,幾乎不會造成可明顯察覺的誤差。

            HA5159的主要指標為:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓 μV 10000
            輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 20
            輸入失調(diào)電流 nA 6
            輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 60

            這樣可以計算出,在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
            輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 54.5
            合計本項誤差為 μV 10054
            輸入信號200mV時的相對誤差 % 5.0
            輸入信號100mV時的相對誤差 % 10.1
            輸入信號 25mV時的相對誤差 % 40.2
            輸入信號 10mV時的相對誤差 % 100.5
            輸入信號 1mV時的相對誤差 % 1005

            初步結(jié)論是:輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流造成的誤差較大,但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調(diào)零消除。其中輸入失調(diào)電壓造成的誤差遠遠超過輸入失調(diào)電流造成的誤差。

            這樣可以計算出,0~25℃的溫度漂移造成的影響如下:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
            輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 13.6
            合計本項誤差為 μV 513

            輸入信號200mV時的相對誤差 % 0.3
            輸入信號100mV時的相對誤差 % 0.51
            輸入信號 25mV時的相對誤差 % 2.05
            輸入信號 10mV時的相對誤差 % 5.14
            輸入信號 1mV時的相對誤差 % 51.4
            初步結(jié)論是:在使用高速運放時,由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大,造成的影響較大,使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。

            若其它條件不變,僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍,造成誤差如下:
            這樣可以計算出,在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
            輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 109
            合計本項誤差為 μV 10109
            這樣可以計算出,0~25℃的溫度漂移造成的影響如下:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
            輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 27.3
            合計本項誤差為 μV 527
            初步結(jié)論:僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍,運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差不變,而輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以,對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時,輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差會很快增加,甚至有可能超過輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差,所以這時需要考慮采用高阻運放或是低失調(diào)運放。

            低功耗運放LF441的主要指標為:
            項目 單位 參數(shù)
            輸入失調(diào)電壓 μV 7500
            輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 10
            輸入失調(diào)電流 nA 1.5
            輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 15

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