小信號放大電路中的指標分析對比
在運放選型中,一些常用的指標選擇比較簡單,例如根據自身供電選擇供電電源、根據增益及帶寬選擇增益帶寬積(GBW)、根據精度要求選擇等效輸入噪聲電壓/電流、根據空間選擇封裝等等。
但是在一些小信號放大電路中,還有一些比較精細的指標需要仔細分析對比。
1.幾種相關指標的定義
這里主要說說運放的失調電壓、失調電流、偏置電流、輸入阻抗以及輸入級(定義主要參考ADI技術資料MT-035、MT-037、MT-038等)。
1.1.失調電壓:
理想狀態(tài)下,如果運算放大器的兩個輸入端電壓完全相同,輸出應為0V。實際上,還必須在輸入端施加小差分電壓,強制輸出達到0。該電壓稱為輸入失調電壓Vos。輸入失調電壓可以看成是電壓源Vos,與運算放大器的反相輸入端串聯,如圖所示。
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1.2.偏置電流
理想情況下,并無電流進入運算放大器的輸入端。而實際操作中,始終存在兩個輸入偏置電流,即IB+和IB-。
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1.3.失調電流
“輸入失調電流”IOS是IB–和IB+之差,即IOS=IB+−IB–。
1.4.輸入阻抗
電壓反饋(VFB)運算放大器通常具有差模和共模兩種指定的輸入阻抗。
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共模輸入阻抗數據手冊中的規(guī)格參數(Zcm+和Zcm–)是從任一輸入至地(不是從兩者至地)的阻抗。差分輸入阻抗(Zdi)是指兩個輸入之間的阻抗。這些阻抗通常是電阻性的,且阻值較高(105至1012Ω),還有一些并聯電容(通常為幾pF,有時可高達20至25pF)。大多數運算放大器電路中,反相輸入阻抗都通過負反饋降至極低值,起重要作用的只有Zcm+和Zdiff。
1.5.運放輸入級
雙極性晶體管(BJT)輸入,輸入級使用雙極性晶體管,其特性如下:
4.jpg
場效應晶體管(FET)輸入,輸入級場效應管,其特性如下:
5.jpg
2.選型分析
當進行小信號放大(電壓信號)時,必須根據信號源的幅值和輸出阻抗來進行選型。
2.1.失調電壓Vos
在某些應用中,信號源的幅值很低,例如1mV。而很多運放的失調電壓接近大于1mV,例如將1mV信號源輸入到-1mv失調電壓的運放,放大后的輸出信號0V。
因此,當信號源幅值很低,必須首先考慮運放的Vos。如果Vos跟被測信號幅度差不多,甚至更大,則放大后的信號幅值會遠遠偏離預期。雖然這個偏置可以通過調零電路來調,但是Vos較大運放,Vos隨溫度的漂移也會較大,還是會給測量精度帶來很大影響。
此時,選擇BJT輸入級比較合適(Vos相對小)。
2.2.輸入阻抗
理想運放輸入阻抗無窮大,信號源可以完全被放大器放大。但是實際運放的輸入阻抗是個有限值。對于電壓反饋型運入,輸入阻抗主要由輸入級的決定,一般BJT輸入級的運放。的共模輸入阻抗會大于40MΩ。差模輸入阻抗大于200GΩ。對于JFET和CMOS輸入級的運放,輸入阻抗要大的多。
如果信號源的阻抗較大,例如1MΩ,運放輸入阻抗是40MΩ,那么由于分壓作用,實際輸入到運放的信號幅度降低約2.5%。
因此,當信號源輸出阻抗較大,選擇FET輸入級運放效果會更好;如果信號源輸出阻抗較小,那么選BJT或者FET輸入級都沒問題。
2.3.Ib、Ios
當信號源輸出阻抗較大,會存在較大的熱噪聲,偏置電流流經信號源的輸出阻抗會產生電壓噪聲。
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所以當信號源輸出阻抗較大,選擇FET輸入級比較合適。
2.4.確立主要矛盾
在實際的設計中,某些時候不同的項目適合的運放會產生沖突,例如小幅度大輸出阻抗的信號源,考慮Vos需要選擇BJT運放,考慮輸入阻抗和Ib需要選擇FET,那么就必須清楚哪個因素占主導地位,綜合考慮實現總的誤差最小。
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