这一节讲讲实际设计电路时,怎么选择运放,需要专注哪些参数。
要注意的是,器件即使再简单,他们的参数也是很复杂的,找到芯片的datasheet,里面可能数十个参数,开始时我们只要关注最重要的几个参数,就能应对大多数的场合,至于更深层次的应用,需要长期的积累。
上一节讲了运放的几个特别重要的特性:虚短、虚断、负反馈,以及一个重要的参数:开环放大倍数。分析的时候把虚短、虚断理想化了,把开环放大倍数视为无穷大,而实际使用时,这些参数并不是理想化的,那么要如何关注这些参数呢?
我们以一个例子来讲解,假如我们需要设计一个放大电路,输入信号的电压10mv~100mv,输入信号的驱动能力很弱,只能提供5uA电流,信号频率在20kHz以内,需要将它放大10倍。
如果采用反向比例放大器的方式实现,首先看一下电路:
首先,为了保证虚短的特性成立,我们要保证Vn和Vp的差值要远小于输入信号Vi的幅值,否则i1就不能使用(Vi-Vn)/R1=(Vi-Vp)/R1公式去等效,这个公式只有在Vn和Vp相差远小于Vi时才可以在工程上近似。
Vn和Vp的差值,叫做 输入失调电压(offset voltage ),也有简写为失调电压的,就是运放两个输入端的最大差值,我们要选择输入失调电压远小于10mv的运放,才能保证信号的能最大限度地进入电路进行处理。
其次,为了保证虚断特性成立,我们要保证i1的值要远大于ii的值,ii的值,叫做 输入偏置电流 (Input bias current ),也有简称为偏置电流的。
由于i1的值一方面取决于输入信号能提供的驱动电流,另一方面取决于输入电压信号幅值与R1的比值,工程上一般选择R1的阻值为几k到几百k;考虑到输入信号最大100mv,驱动电流最大5uA,需使用大于等于 100mv/5uA=20kΩ 的电阻作为R1,这里我们直接选择R1 = 20kΩ。
选定R1后,由i1=(Vi-Vn)/R1=Vi/R1计算得到i1最小为0.5uA,所以我们需要选择输入偏置电流远小于0.5uA的运放,才能满足近似虚断的条件。
再次,关于运放的放大倍数是否能够达到要求,一般在工程应用上,不会直接查找运放的开环放大倍数,有的运放可能也没有这个参数,而是选择合适的 增益带宽积 (GBW)。增益带宽积是运放电路的 增益 * 带宽 所得的值,它是运放的一个特殊的参数,因为一型运放电路的 增益 * 带宽 一般是一个固定值。在我们这个例子中,带宽为20kHz、放大倍数是10,那么需要选择增益带宽积大于0.2MHz的运放。
由于放大倍数是10,R1的值已被我们选定为20k,所以R2被确定为200k。
这样,我们得到了选择运放的要求:输入失调电压远小于10mv,输入偏置电流远小于0.5uA,增益带宽积大于0.2MHz。
我们可以依据这个要求,去各大芯片厂家的网站上筛选合适的芯片,比如满足本例需求的比较常用的,可以选择op07这型运放。下图摘自op07的芯片手册,可以看到失调电压最大为0.075mv,偏置电流最大为4nA,增益带宽积最小为0.4MHz,都能满足要求。
(至于其中的“远小于”的值怎么选,我们一般需要考虑放大电路的精度,如果要求放大的误差在5%以内,那么通常选择小于1%可以满足要求,这是工程上的近似)。
实际选择运放时,还要考虑电源供电范围、输出的驱动能力、共模抑制比、电源抑制比等等一些参数;设计电路时,也不是简单地套用书上现成电路,有时可能需要考虑输入阻抗、输出阻抗,有时简单的电路不能实现时,需要多种组合、多级组合;这些需要长期的学习和积累,这里就不展开讲了,后续会有专题的讲解。
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