【非常好】运放参数与有源滤波器

例如，MCP601最大输出电压摆幅：
VOL=VSS+15mV，VOH=VDD－20mV，测试条件： RL=25k连接在VDD/2 VOL=VSS+45mV，VOH=VDD－60mV，测试条件： RL=5k连接在VDD/2 MCP601线性输出电压摆幅VOUT： VSS+100mV~VDD－100mV，测试条件：RL=25k连接在VDD/2，AOL>105dB VSS+100mV~VDD－100mV，测试条件：RL=5k连接在VDD/2，AOL>95dB
失调电压随温度变化而变化，称为失调电压温漂，单位为μV/℃或是mV/℃。 例如对于CMOS运放MCP601的失调电压为2mV，失调电压温漂2.5μV/℃。
每一个运放的输入失调电压都不同，但是对于一个运放来说是一个固定值。在闭环放大倍 数很小时，失调电压对放大器没有多大影响，但是对于闭环放大倍数很大的放大器来说，将减小 动态输出范围。 例如，对于图2-2所示的同相放大器，其输出电压表达式为：VOUT=（1+Rf/R1） （VIN+VOS） 如果VOS为1mV，则VOS对于输出的影响为101mV，若是运放输出电压为 4V，则VOS的影 . . 响为2.5%。
.
IB.
VIN. .
.
VIN+ IB+.
+
图所示的是一个有源滤波器电路，在电路中，运放同相端连接有很大阻值 的电阻，如果采用双极性输入结构的运放，若偏置电流为100nA，按照图中参数， 将在输出端引起102.7mV的误差，但是若采用CMOS输入结构的运放，若偏置电 流为100pA，则在运放输出端产生102.7μV的误差。 对于CMOS运放，输入失调电流与输入偏置电流相同数量级，例如对于 TLV2472运放，偏置电流为100pA，失调电流也为100pA。但是对于双极型运放， 偏置电流与失调电流差很多，例如对于LM358偏置电流最大为500nA，而最大失 调电流为50nA。 输入失调电流也是随温度的变化而变化的，对于CMOS运放来说，一般可以 忽略。对于双极型运放，一般为几个~几十个pA的数量级，与偏置电流相比很小。 例如LM358，失调电流最大为50nA，失调电流温度系数为10pA/℃。
7. 共模输入电压范围VCM
共模输入电压范围也是一个运放的重要参数。下面列出几个运放的输 入电压范围。例如，AD623的共模输入电压范围为（－VS）-0.15V~（+VS） －1.5V
LM358的共模输入电压范围为0~VCC－1.5V MCP601的共模输入电压范围为VSS－0.3V~VDD－1.2V TLV2472的共模输入电压范围为0~VDD 其实共模输入电压范围也就是输入电压，例如电压跟随器电路，电压 在同相端输入，既是信号电压也是共模电压，还是输出电压，因此共模输 入电压范围就是输出电压范围。 若是放大器的闭环增益大于1，则运放的输入电压范围是由输出电压范 围确定的。 在单电源使用时，AD623的共模输入电压范围可以低于0V，这一点在 有些传感器信号放大中特别有用，例如在-200℃与+200℃范围内，J型热电 偶输出电压-7.890mV~ +10.777mV，则可以使用AD623直接放大该热电偶的 输出信号。
AOL（V/V）=10（AOL（dB）/20） 一般情况下，每个运放的开环增益都不相同，差别可以达到30%。 增益非线性是指在不同的输入信号时，放大倍数不是常数的现象，例如 AD623的最大增益非线性为10ppm。一般运放手册没有该项参数。
5. 共模电压抑制比 共模抑制比CMRR是放大器对共模输入信号的放大能力，由于该能力 不是无穷大，所以引起CMRRERROR误差。CMRR用下式表示： CMRR（dB）=20log（ΔVCM/ΔV）
输入偏置电流通过输入端连接的外电阻起作用，例如，如果运放外引脚的电阻 为100k，输入偏置电流为100nA，则在外电阻上将有10mV的压降，该压降就像在输 入端加一个误差电压源，误差电压源的电压被放大，引起输出误差。对于CMOS输入 结构运放来说，若输入偏置电流为100pA，则100k电阻上的压降只有10μV，在大部 分情况下，该压降可以忽略。
13. 直流误差总结
（1） 零点偏移误差 ⑴输入失调电压VOS ⑵输入偏置电流IB引起的误差VIBerror，等于输入偏置电流*运放输入引脚外 的电阻，若两引脚外电阻相等，则IB引起的误差为0，但实际上，两电阻相等的情 况几乎没有。 ⑶输入失调电流IOS引起的误差VIOSerror，若是引脚外电阻阻值相等，该误 差等于：
第2章 运放参数与单电源运放
本章介绍实际运放的参数与单电源运放，目的是使初学者能够读懂运放 数据手册，并能正确使用运放，特别是使用单电源运放。
2.1运放直流参数介绍
1.理想运放
在模拟电路教科书上，理想运放如图2-1所示。其中VIN-为反相输入，VIN+为同相输入， VO为输出，电源VDD、VSS也常用VCC、VEE表示。 理想运放具有如下特点：
.
C1
.
100nF A
VOUT
.
VIN R1 130kΩ R2 887kΩ
22nF . C2
.
图2-4有源滤波器电路电路
4. 开环增益AOL
运放的开环增益是输出电压信号与输入信号之差的比值。理想情况下的开环 增益是无穷大。但实际上，由于开环增益是有限值，所以输出电压的变化ΔVOUT 除以开环增益就是输入端的电压变化ΔV，如下式表示：
R1 100Ω Rf 10kΩ VOUT
.
.
VIN+
VOS
+
.
A
图2-2 同相放大器的失调电压
3. 输入偏置电流（IB，IB+，IB-，IOS）
所有运放的输入端都吸收或流出电流，如图所示。两个引脚输入电流中的相同 （平均）部分称为输入偏置电流为：IB=（IB+ + IB-）/2，而不同部分称为输入失调 电流IOS=（IB+ － IB-）。对于CMOS或FET输入结构的运放，输入电流来自输入保 护（ESD）电路，其输入电流IB很小，一般在几个到几百个pA。双极性输入结构的 运放，输入偏置电流来自晶体管的基极，一般在几个nA到几百个nA之间。
运放工作需要在VDD引脚与VSS引脚之间加电源电压，通常，运放数 据手册上给出一个电源电压范围，例如AD620的电源电压为±2.3V~±18V。 电源电流是在无负载情况下的运放电流。 12. 温度范围 运放的参数一般是在某指定温度下的参数，例如室温25℃。 运放的工作温度范围，是指运放可以基本保证性能，而且不损坏的温度。
图2-1 理想运放符号图
. .
VDD VINVIN+ － A
+
VOUT
.
VSS .
输出电流IO满足负载需要
2. 输入失调电压VOS
输入偏移电压是运放输入电路不对称引起的，就是在输入电压VIN+=VIN-情况下，还等效 存在一个小的电压源，使输出偏移零点。通常该参数以室温下的电压值表示，通常在μV或是mV 数量级。
电源电压抑制比PSRR（dB）=20log（ΔVSUPPLY/ΔV）
这里ΔV是电源波动引起的输入电压误差，就是PSRRERROR，VSUPPLY 为VDD-VSS。
例如，一个用电池供电的运放电路，具有闭环放大倍数是101V/V，该运 放具有电源电压抑制比为66dB，则当电源电压从6.8V降到5.8V时，放大器的 等效输入ΔV为0.5mV，引起输出变化为0.5mV*101=50.5mV，若是参考电源 为4.096V的10位ADC，这相当于12.6个字（每个字为4mV）。
这里 ΔV是共模抑制等效的输入误差CMRRERROR，ΔVCM是共模输 入电压的变化。
一般情况下，共模抑制比的范围为45dB~90dB。例如，运放共模抑制 比为80dB，则当输入3V的共模电压时，等效共模输入误差CMRRERROR 为0.3mV。
6. 电源电压抑制比PSRR
电源电压抑制比PSRR是运放对电源电压变化的灵敏度，典型的电源电压 抑制比是60dB~100dB，例如，MCP601的PSRR典型值为88dB。
输入失调电流*运放输入端外电阻阻值
所以总误差为Verror=VOS+VIBerror+ VIOSerror ，该误差可以通过调零电 路消除。 （2） 共模电压引起的误差VCMerror，等于（共模输入电压*共模放大倍数）/差 模放大倍数，或是共模输入电压/CMRR。该误差与共模输入信号有关，若是共模 输入信号为固定值，则该误差可以通过调零的方法消除，若是共模信号就是输入 信号，则不能通过调零的方法消除。
+VDD Q1 D1 D1
.
VR1 +Vsat
R1
VOUT
VOM+
.
R2
VOM-
Q2
-VSS
VR2 +Vsat
-VSS
.
不同运放的输出电压VOUT的摆幅是不同的，通常运放的输出摆幅与正电源、 负电源之间有1~2V的电位差，而满摆幅运放（rail-to-rail）的输出摆幅与正、负电源 之间的电位差小于100mV。 运放的输出电压摆幅限制了输入信号范围，若需要增加摆幅应该增加电源电压， 或是在电源电压确定的情况下，选择满摆幅运放。
有时运放给出输入阻抗参数，包括输入电阻与电容，例如MCP601的差 模输入阻抗ZDIFF=1013||3（Ω||pF），共模输入阻抗ZCM=1013||6（Ω||pF）
10. 输出电阻
运放的输出电阻总是比输入电阻小，因此可以起到隔离阻抗的作用， 运放参数中一般不给出输出电阻参数。一般规律是闭环增益越大，则输出 电阻越小。虽然没有输出电阻参数，但可以利用手册中给出的满摆幅输出 电压中的负载条件确定运放的负载能力。 11. 电源电压与电流
输入部分：
输入电流IB=0 输入阻抗ZIN=∞ 输入电压范围VIN没有限制 没有输入噪声电压与电流 直流偏移VOS为0 共模抑制比CMR=∞
图2-1 理想运放符号图
. .Leabharlann VDD VINVIN+ － A
+
VOUT
.
VSS .
理想运放符号图
电源部分：
VDD与VSS永远满足摆幅需求
电源电流ISUPPLY=0 电源电压抑制比PSRR=∞ 放大部分： 开环增益AO=∞ 带宽BW=0~∞ 谐波变形THD=0 输出部分： VOUT=VSS~VDD 摆率SR=∞ 输出电阻ZO=0
AOL（dB）=20log（ΔVout/ΔV）
输入电压变化ΔV可以用等效在运放输入端的电压源表示，这相当于一个输入 端的误差源VOLERROR。该误差源乘以闭环增益，就是输出误差。当开环放大倍 数为无穷大时，该输入电压源电压为0，相当于输出误差为0。
AOL的范围一般在95dB~120dB之间，与电压放大倍数之间的关系如下式：
8. 输出电压摆幅 输出电压VOUT的摆幅VOM与运放输出结构、电源电压和负载电流有关。 一般的双极型输出结构如图2-5所示，可知输出摆幅的正最大值 VOM+=+VDD－VR1－Vsat，
这里VR1为串联电阻R1上的压降，Vsat为晶体管的饱和压降。其中VR1 和Vsat与输出电流有关。
.
+VDD
运放输出电压与正、负电源之间的电位差与输出电流有关，为获得明确的电压摆 幅定义，应该仔细核对测试条件。
9. 输入电阻
输入电阻是运放两个输入端之间的等效电阻，该电阻越大，表明对输 入信号源的影响越小，输入电阻又分为差模输入电阻和共模输入电阻，通 常他们的数值都很大。
例如AD623的差模输入电阻和共模输入电阻都为2GΩ，因此实际上可 以看成开路。 有些运放参数还给出输入电容C，一般有几个pF。包括两个引脚之间的 电容Cd以及每个引脚对地的电容Cp和Cn。
（5）温度变化引起的误差 包括失调电压温漂和失调电流温漂，因为随温度变化的，所以这两项误差 不能通过调零的方法消除。 因此应该选择小温度系数的运放。 （6）增益非线性误差 该误差不能通过调零或是调节增益电阻阻值的方法消除。
2.2 运放交流参数介绍
1. 频率特性
（1）增益带宽积 增益带宽积GBWP是开环增益与频率的乘积，对于电压反馈的放大器来说，增益 带宽积是常数。 （2）相位容限PM （G=1V/V），相位容限是单位1增益时的相位与180°之差，对于 MCP601运放，其增益带宽积GBWP为 2.8MHz，相位容限为50°。 （3）转换速率SR（G=1V/V）
（3）电源电压波动引起的误差VPSRR，等于电源电压的变化量/电源电压抑制比 PSRR。 该误差不能通过调零的方法消除，因此需要电源电压尽可能的稳定。稳定电源 电压的输出电压值不准确，虽也会引起输出电压的变化，但可用调零电位器消除该 变化。
（4） 开环增益变化引起的输入误差，该误差可以影响闭环增益下的输出， 但是可以用调节增益电阻值的方法消除。