大功率手機信號放大器-運算放大器15個常見指標-4G手機信號放大器
輸入失調電壓(Offset Voltage,VOS)
定義:在運放開環使用時, 加載在兩個輸入端之間的直流電壓使得放大器直流輸出電壓為 0。
優劣范圍:1μV 以下,屬于極優秀的。100μV 以下的屬于較好的。最大的有幾十mV。
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對策:
1 選擇 VOS遠小于被測直流量的放大器,
2 過運放的調零措施消除這個影響
3 如果你僅關心被測信號中的交變成分,你可以在輸入端和輸出端增加交流耦合電路,將其消除。
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如果 IB1=IB2,那么選擇 R1=R2//RF,可以使電流形成的失調電壓會消失。但實際中IB1=IB2很難滿足
失調電壓漂移(Offset Voltage Drift)
定義:當溫度變化(μV/°C)、時間持續(μV/MO)、供電電壓(μV/V)等自變量變化時, 輸入失調電壓會發生變化。
后果:很嚴重。因為它不能被調零端調零,即便調零完成,它還會帶來新的失調。
對策:第一, 就是選擇高穩定性,也就是上述漂移系數較小的運放。第二,有些運放具有自歸零技術,它能不斷地測量失調并在處理信號過程中把當前失調電壓減掉。
輸入偏置電流(Input bias current, IB)
定義:當輸出維持在規定的電平時,兩個輸入端流進電流的平均值。Ib=(Ib1+Ib2)/2
優劣范圍:60fA~100μA。
后果:第一,當用放大器接成跨阻放大測量外部微小電流時,過大的輸入偏置電流會分掉被測電流,使測量失準。第二,當放大器輸入端通過一個電阻接地時,這個電流將在電阻上產生不期望的輸入電壓。
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對策:為避免輸入偏置電流對放大電路的影響,最主要的措施是選擇 IB較小的放大器。
輸入失調電流(Input offset current, IOS)
定義:當輸出維持在規定的電平時,兩個輸入端流進電流的差值。
優劣范圍:20fA~100μA。Ib=Ib1-Ib2
后果:失調電流的存在,說明兩個輸入端客觀存在的電流有差異,無法用外部電阻實現匹配抵消偏置電流的影響。
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噪聲指標(Noise)
運放常見的噪聲根源有兩類,一類為 1/f 噪聲,其電能力密度曲線隨著頻率的上升而下降;一類為白噪聲,或者叫平坦噪聲,其電能力密度曲線是一條直線,與頻率無關。
如何根據datasheet估算運放的噪聲??
如何計算電阻的噪聲??
噪聲的有效值和峰峰值關系:噪聲峰峰值為噪聲有效值的 6.6 倍。
輸入電壓范圍(Input Voltage Range)
定義:保證運算放大器正常工作的最大輸入電壓范圍。也稱為共模輸入電壓范圍。當運放最大輸入電壓范圍與電源范圍比較接近時,比如相差 0.1V 甚至相等、超過,都可以叫“輸入軌至軌”,表示為 Rail-to-rail input,或 RRI。
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理解:運放的兩個輸入端,任何一個的輸入電壓超過此范圍,都將引起運放的失效。注意,超出此范圍并不代表運放會被燒毀,但絕對參數中出現的此值是堅決不能超過的。
輸出電壓范圍(VOH/VOL 或者 Swing from rail)
定義:在給定電源電壓和負載情況下,輸出能夠達到的最大電壓范圍。當運放的輸出范圍已經接近于電源電壓范圍時,就自稱“輸出軌至軌”,表示為 Rail-to-rail output,或 RRO。
理解:在沒有額外的儲能元件情況下,運放的輸出電壓不可能超過電源電壓范圍,隨著負載的加重,輸出最大值與電源電壓的差異會越大。
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輸出電壓范圍,或者輸出至軌電壓有如下特點:
1) 正至軌電壓與負至軌電壓的絕對值可能不一致,但一般情況下數量級相同;
2) 至軌電壓與負載密切相關,負載越重(阻抗小) 至軌電壓越大;
3) 至軌電壓與信號頻率相關,頻率越高,至軌電壓越大,甚至會突然大幅度下降;
4) 至軌電壓在 20mV 以內,屬于非常優秀。
5) RRIO(輸入輸出均軌至軌)
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共模抑制比(Common-mode rejection ratio, CMRR)
定義:差模電壓增益與共模電壓增益的比值,用 dB 表示。CMRR = 20 log (Ad/Ac)
優劣范圍:一般運放都有 60dB 以上的 CMRR,高級的可達 140dB 以上。運算放大器在單端輸入使用時,不存在這個概念。只有把運放接成類似于減法器形式,使得運放電路具備兩個可變的輸入端時,此指標才會發揮作用。
影響因素:一是運放本身的共模抑制比,二是對稱電路中各個電阻的一致性。
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開環電壓增益(Open-loop gain, AVO)
定義:運放本身具備的輸出電壓與兩個輸入端差壓的比值,用 dB 表示。
優劣范圍:一般在 60dB~160dB 之間。越大的,說明其放大能力越強。
理解:開環電壓增益是指放大器在閉環工作時,實際輸出除以運放正負輸入端之間的壓差,類似于運放開環工作——其實運放是不能開環工作的。AVO 隨頻率升高而降低
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壓擺率(Slew rate, SR)
定義:閉環放大器輸出電壓變化的最快速率。用 V/μs 表示。
優劣范圍:從 2mV/μs 到 9000V/μs 不等。
理解:此值顯示運放正常工作時,輸出端所能提供的最大變化速率,當輸出信號欲實現比這個速率還快的變化時,運放就不能提供了,導致輸出波形變形——原本是正弦波就變成了三角波。
帶寬指標
與帶寬相關的指標主要有四項:
單位增益帶寬(Unity Gain-bandwidth, UGBW)
定義:運放開環增益/頻率圖中,開環增益下降到 1 時的頻率。
增益帶寬積(Gain Bandwidth Product, GBP 或者 GBW)
定義:運放開環增益/頻率圖中,指定頻率處,開環增益與該指定頻率的乘積。
-3dB 帶寬
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定義:運放閉環使用時,某個指定閉環增益(一般為 1 或者 2、 10 等)下,增益變為低頻增益的 0.707 倍時的頻率。
滿功率帶寬(Full Power Bandwidth)
定義:將運放接成指定增益閉環電路(一般為 1 倍),連接指定負載,輸入加載正弦波,輸出為指標規定的最大輸出幅度,此狀態下,不斷增大輸入信號頻率,直到輸出出現因壓擺率限制產生的失真(變形)為止,此頻率即為滿功率帶寬。滿功率帶寬與器件壓擺率密切相關。
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全諧波失真(Total HARMonic Distortion-THD THD)
衡量一個時域波形與標準正弦波的差異程度的量。也被用于衡量一個放大器的保真程度。諧波是有規律的,在頻域中僅出現在指定頻點。放大器的失真度指標,有時也用 HD2、 HD3 表征。
放大器的失真度指標,與很多因素相關,最為顯著的有五個:第一是輸入信號頻率,第二是輸出信號幅度,第三是放大電路閉環增益,第四是輸出帶載大小,第五是供電電壓。
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建立時間(Settling Time)
定義:運放接成指定增益(一般為 1),從輸入階躍信號開始,到輸出完全進入指定誤差范圍所需要的時間。
優劣范圍:幾個 ns 到幾個 ms。
一般來說, SR 越大的,建立時間更小。
電源電壓抑制比(PSRR-Power Supply Rejection Ratio)
理解:電源電壓抑制比,其含義是運放對電源上紋波或者噪聲的抵抗能力。首先,正負電源具有不一定相同的 PSRR(PSRR-不一定等于PSRR+),其次,隨著電源電壓變化頻率的提升,運放對這個變化的抵抗能力會下降。一般情況下,電源變化頻率接近其帶寬時,運放會失去對電源變化的抵抗——即單位增益情況下電源變化多少,輸出就變化多少。因此電源旁常需要加旁路電容。
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熱阻(Thermal resistance, θJA)
定義:是導熱體阻止熱量散失程度的描述。有以下常用的兩種:
θJA,是指芯片熱源結(Junction)與芯片周圍環境(Ambient)(一般為空氣)的熱阻。
θJC,是指芯片熱源結(Junction)與芯片管殼(Case)的熱阻。
理解:對芯片來說,導熱路徑的兩端分別為自身發熱體與環境空氣。熱阻 θJA 越大,說明散熱越困難,其溫差也就越大。
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理想運算放大器的特點:
輸入阻抗為∞,開環放大倍數為∞,共模抑制比為∞,帶寬為∞,壓擺率為∞
輸出阻抗為無窮小,差模輸入電壓為0,輸入電流為0,失調電壓,失調電流均為0
兩個重要特性:
虛短:正負輸入端電壓相等
虛短:正負輸入端電流為0