运放电路分析基础

运放电路分析基础  

基于今天回家就停电，到晚上22点30分才来电，媳妇又回家了，23：25才入手电脑，因此做一些准备的知识作为今天的内容。

首先提一下分析的误差因素：

A.运放的非理想因素（直流部分）：

运算放大器的输入结构：

1.失调电压（Offset Voltage）：
    该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。它是由构成输入端差分放大器的管子（NPN，PNP，PMOS，NMOS）参数并不是完全对称的【对于晶体管来说主要是Ube和Ueb的对称性，对于JFET来说主要是Ugs，这个不对称的电压完全可以看成人为的加了一个电压源】，这就引起了失调电压，实际在说明书中的数值是通过实验测量抵消这一电压必须在输入端加一个与之反相的电压。
     失调电压的温度漂移：失调电压是随着温度的变化而改变，一般在说明书中采用失调电压的温度系数来使用。如果给出了全温度范围内的最大数据，则可以采用折算的办法。【这里有个有趣的事情，一般给的Tc_vos一般偏小，而在极端温度下测得的失调电压一般要大于常温下测试得到的最大失调电压+温升×Tc_vos，我们只能认为这个过程是Tc_vos是变化的，如果要计算恶劣的话，最好去最坏分析的情况。】
另外一点就是老化的问题：失调电压的漂移的大小是随时间而变化，它一般以mV/月或者mV/1,000小时来定义，这个非线性的函数与运放期间使用时间的平方根成正比。这个数据一般不可得的，因此在计算的时候要使用最坏分析得到这个结果。PS：老化一般很难在计算时加入，但是非加入不可。首先是汽车，一般用10年15万公里是很常见的，更别说仪器了，往往用用15年以上。

测试方法：

2.偏置电流（Bias Current）
   该参数是指运放输入级电流平均值【IB+，IB-的平均值】，由构成输入端差分放大器管子（NPN，PNP，PMOS，NMOS）的基极或栅极电流构成。【运算放大器不提供输入级偏置电流的电流源，是为了运放能获取尽可能宽的共模输入电压范围（直接耦合）】，此参数越小代表信号源的内阻对运放的影响越小，同时它也影响着输入失调电流的大小。
3.失调电流（Offset Current）
  该参数是指流入两个输入端的电流之差【IB+，IB-的差值】，也就是两个输入端管子的偏置电流差值。

测试方法：

说明一点：edn有个帖子是不错的，怎样测试运放的失调电压和偏置电流？在测试时候开关是不能乱加的，开关有导通电阻和断开电阻，而后者如果在我们的Rf相当时会产生非常大的误差。同样的，如果测试的电流较小的时候，电容的非理想特性的泄漏电阻也会产生影响，因此测量微弱电流的情况下，可能两个东东都不能加。以上方法只是测试相对正常的偏置电流。

4.差模开环放大增益（Open Loop Gain）

运放在无外加反馈条件下，输出电压的变化量与输入电压的变化量（差模放大倍数）之比。在说明书里面一般以Open Loop Gain表明。

测试方法：

用闭环的方法测试开环的增益，不过这里要注意信号源不能太大。可用交流的电压测量。

5.共模抑制比 CMRR Common Mode Rejection Ratio

     该参数主要是表征放大器抑制输入共模信号的能力，一般定义为放大器对差模信号的电压放大倍数（差模开环放大增益）与对共模信号的电压放大倍数之比，称为共模抑制比。

测试方法：

6.差模输入电阻

运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。
7.共模输入电阻

运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。一般共模输入电阻要比差模输入电阻高很多。

测试方法：

分析运放以TI公司的为例（面广，主要是公司用的很多TI的运放在汽车电子上面）以后分析使用典型运放的参数：

B.电阻的误差
以KOA电阻为例（数据全），各种电阻的初始精度和PPM如图。

KOA数据

KOA有详细的关于每款电阻的最大PPM如图（RN73系列为例）：

以上电阻精度为初始精度，也就是电阻制造完成后未使用的离散精度。经过试验后电阻精度会改变。电阻考虑的还有抵抗实验和焊接后的特性，如图：

我们需要把这些精度退化通过公式计算后才能用，MIL定义为：

具体计算过程可以看Blog：电阻精度分析

C.信号源内阻

首先把输入电阻和输出电阻的概念辨析一下：
输入电阻是用来衡量放大器对信号源的影响的一个性能指标。输出电阻用来衡量放大器带负载能力的强弱。输入电阻越大表明放大器从信号源取的电流越小，放大器输入端得到的信号电压也越大，即信号源电压衰减的少。输出电阻用来衡量放大器带负载能力的强弱。当放大器将放大了的信号输出给负载电阻时，放大器可以等效为具有内阻Ro的信号源，由这个信号源向RL提供输出信号电压和输出信号电流。Ro称为放大器的输出电阻，它是从放大器输出端向放大器本身看入的交流等效电阻。

对于我们放大来说，前面的输出就是后面的输入，也就是说我们的对象可能并不是真正的初始信号源，而是经过处理后的信号源，因此我们要注意本级放大器的信号输入电压范围和信号输入内阻。