如何正確使用運(yùn)算放大器

　　失調(diào)電壓是一個(gè)與精度有關(guān)的運(yùn)放指標(biāo)(失調(diào)電流現(xiàn)在一般都小得可以忽略)。理想情況下，運(yùn)放的輸入為0時(shí)，輸出也為0。但由于運(yùn)放內(nèi)部器件的個(gè)體差異(比如器件的對(duì)稱(chēng)性、芯片的溫度梯度等)，這個(gè)輸出肯定不等于0。我們通常要在輸入端加一個(gè)很小的電壓，才可使輸出為0;而加在輸入端上的這個(gè)小電壓就叫“失調(diào)電壓”，或稱(chēng)“輸入失調(diào)電壓”。這是個(gè)直流參數(shù)，一般不隨頻率而變。

　　全差分運(yùn)放主要用來(lái)為高端轉(zhuǎn)換器提供差分輸入信號(hào)，或者說(shuō)，依靠全差分運(yùn)放把單端信號(hào)(信號(hào)的一端接地)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)(與地電位無(wú)關(guān))。全差分運(yùn)放與單端運(yùn)放在結(jié)構(gòu)上的最大不同點(diǎn)，是它的輸出共模電壓;所謂“輸出共模電壓”就是指兩個(gè)輸出端上輸出信號(hào)擺動(dòng)的中間值。單端運(yùn)放輸出電壓的中間值是靠反饋電阻設(shè)定的，如圖2中當(dāng)VIN=0時(shí)，輸出電壓就被固定為VOUT=-VREFRF/RG。但全差分運(yùn)放的反饋電路無(wú)法對(duì)輸出電壓的中間值進(jìn)行調(diào)控，這就需要另加一個(gè)輸出共模電壓反饋電路(CMFB)。當(dāng)設(shè)計(jì)全差分運(yùn)放時(shí)，必須考慮這個(gè)問(wèn)題。

　　全差分運(yùn)放

　　近年來(lái)，模擬電路的低電壓運(yùn)行為全差分運(yùn)放提供了更多的應(yīng)用。這主要是因?yàn)樵谙嗤碾娫措妷合?，全差分運(yùn)放可以提供兩倍的動(dòng)態(tài)范圍(DR)，這在低壓電路中是非常寶貴的。全差分運(yùn)放的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不存在偶次諧波失真，這是由于全差分運(yùn)放在正負(fù)兩個(gè)方向上的擺幅可以設(shè)計(jì)成非常對(duì)稱(chēng)(單端運(yùn)放難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn))，這也就進(jìn)一步提高了運(yùn)放電路的SNR(信噪比)和DR?？梢灶A(yù)期，全差分運(yùn)放將有越來(lái)越多的應(yīng)用。

　　說(shuō)到DR，我們也許有一些誤解。DR是指電路的輸出可以達(dá)到的最大信號(hào)與最小信號(hào)之比。電路的最大信號(hào)主要受限于電源、器件的飽和壓降等，最小信號(hào)受限于器件的噪聲水平等。當(dāng)輸入信號(hào)增加到允許的最大值時(shí)，SNR(信噪比)便與DR相等;而提高DR的途徑是提高電源電壓、擴(kuò)展器件線(xiàn)性區(qū)、降低噪聲等。順便提一下，數(shù)字電路也有一個(gè)DR，但數(shù)字電路的DR非常簡(jiǎn)單：字長(zhǎng)每增加一位，DR就增加6dB。還有，信號(hào)或參數(shù)本身也有一個(gè)DR，做DSP電路設(shè)計(jì)的朋友就會(huì)遇到這個(gè)情況，他們需要對(duì)每個(gè)信號(hào)或參數(shù)分配恰當(dāng)?shù)奈粩?shù)，位數(shù)太多了是浪費(fèi)，太少了會(huì)溢出。總之，DR有幾種不同的含義，但基本含義是最大值與最小值之比，而這個(gè)最小值一定大于零。

　　噪聲

　　當(dāng)模擬電路的精度要求很高時(shí)，噪聲便成為一個(gè)限制因素。任何電阻都有熱噪聲，而熱噪聲可以歸入白噪聲。電容和電感一般是不產(chǎn)生噪聲的，而且它們的濾波作用可以對(duì)噪聲有相當(dāng)?shù)囊种?。模擬電路中常用的 MOS 晶體管是一種單極性器件，所以它的溝道等于一個(gè)電阻，而電阻要產(chǎn)生熱噪聲。此外，存在于 MOS 管柵極氧化層中的缺陷可以引發(fā)低頻噪聲，或稱(chēng)1/f噪聲(1/f噪聲可以用來(lái)測(cè)評(píng)工藝線(xiàn)的水平)。所以，一個(gè)運(yùn)放(也指大多數(shù)模擬電路)的噪聲特性可以用1/f噪聲和白噪聲的疊加來(lái)描述。圖3表示了一個(gè)反相運(yùn)放的等效噪聲模型。運(yùn)放內(nèi)部的噪聲通常被折合為與同相輸入端串聯(lián)的電壓源，如圖中的en，而輸出電壓EOUT為輸入電壓EIN與等效噪聲源en經(jīng)放大后的電壓之和，如下式所示：

　　?????=RReRREEnINOUT這里需要注意的是，噪聲是通過(guò)功率相加的，所以上式中的輸出電壓EOUT計(jì)算為輸入信號(hào)EIN和噪聲en兩者在輸出端上功率之和的平方根。所以，如果一個(gè)噪聲是10 V，另一個(gè)噪聲是1 V，那么兩者之和是10.05 V，而不是11 V。此外，等效噪聲en是與運(yùn)放的通帶有關(guān)的，關(guān)于運(yùn)放等效噪聲的計(jì)算可以參閱[1]，該書(shū)中還用了許多實(shí)例來(lái)講解如何對(duì)運(yùn)放電路的噪聲進(jìn)行分析計(jì)算。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與運(yùn)放關(guān)系

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集中反映了一個(gè)公司的模擬電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平。轉(zhuǎn)換器與模擬信號(hào)的連接一般總是通過(guò)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過(guò)程叫“信號(hào)調(diào)整”。弄懂轉(zhuǎn)換器的工作原理是理解轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ);而只有在熟悉了轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)之后，才算是開(kāi)始掌握轉(zhuǎn)換器了。我們通常把轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)分為直流特性和交流特性。直流特性包括輸入信號(hào)范圍、分辨率(或精度)、非線(xiàn)性誤差(積分非線(xiàn)性和微分非線(xiàn)性)等;交流特性是指轉(zhuǎn)換器的帶寬，或者說(shuō)，在多高的頻率下，轉(zhuǎn)換器仍能保持應(yīng)有的分辨率或精度。通常的交流測(cè)試方法是用一個(gè)已知頻率作輸入，然后對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)作譜分析，求其信噪比，推斷出轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)或DR。

　　當(dāng)然，運(yùn)放還有其他許多內(nèi)容，比如單電源與雙電源、運(yùn)放參數(shù)的定義、濾波器、振蕩器等。這些都可以在文獻(xiàn)[1]中找到詳細(xì)的講解。熱心模擬電路和運(yùn)放的朋友應(yīng)該逐漸掌握這些內(nèi)容，而邊看書(shū)邊動(dòng)手是最好的學(xué)習(xí)方法。