模拟电路 之 运放的关键参数指标 详解 总结

运放的关键指标包括：输入失调电压（Vos）、失调电压漂移、输入偏置电流IB、输入失调电流Ios、噪声、输入电压范围、输出电压范围、共模抑制比CMRR、开环电压增益Avo、压摆率SR、带宽指标 、电源电压抑制比、全谐波失真加噪声。
   1、输入失调电压（Offset Voltage,Vos）
             1） 定义:运放在开环状态下，给两个输入端之间加一个直流电压（可以反向端接地，同向端加压），使得运放输出电压为0V，这个两输入端的直流电压就是 Vos。也有定义：运放接成跟随器，同向端接地时，输出的非零电压。数据手册里给的Vos是以绝对值给出的，没有区分正负。   输入失调电压Vos相当于是在运放输入端内部寄生的一个直流输入电压，当运放被设计成Af倍放大后，这个寄生直流电压也被放大Af倍后 输出到输出端。
            2）Vos 造成的影响：当运放构成Af倍的闭环放大后，输入为0时，也会有一个 Af x Vos的直流输出，放大倍数Af越大，这个直流输出Af x Vos就越大。如果电路关心的是直流量 那么最好选用 Vos较小的精密运放一般是Vos=uV级别，也可以进行输入端调零，但是 从批量性问题考虑这种调零方法也不太实用。如果电路关心的是交流量，就在输入输出端串联电容，隔离这个Af x Vos直流电压。
           3）Vos影响微小信号的检测，一般非精密运放的Vos在几个mv级别，对于几个mv级别以下的检测信号这个Vos是不能忽略的，这种情况要选用Vos在uV级别甚至以下的精密运放。对于几十几百mv的信号检测仅对Vos而言可以用通用运放。
  2、失调电压漂移（Offset Voltage Drift）简化OVD      运放的输入失调电压Vos 不是一成不变的，它会随着环境温度 以及 使用时间的持续 以及供电电压的变化 而发生着变化，Vos越小那么OVD就越小，相反的 Vos越大那么OVD就越大。
举例：1）对于两个型号的运放A 和 B，它们的Vos都是10uV时，A 的 温度OVD漂移是 0.2uV/℃, 而 B 的温度OVD漂移是 0.1uv/℃，当环境温度上升50℃时，A会产生一个新的Vos1=0.2x50=10uV,那么就是Vos=20uV 了。而此时B的Vos1只有5uV 加上原始Vos一共15uV。温度漂移用ΔVos/ΔT表示 。2）还有时间漂移也类似，使用时间越久，漂移也会越大。比如运放使用了10个月后失调电压变化增加一个原始的Vos,即10个月后变为2倍的Vos,即每月变化多少uV 用 µV/MO表示 3）当电源电压发生变化时 ，Vos也会变化 用 µV/V表示，即 电源电压每变化1V时，Vos变化多少uV，所以供电电压的稳定是很重要的。
      综上 对于人为的调零意义是不大的，对于应用要求较高的场合还是要选用低漂移的运放。                                                                                            

3、输入偏置电流IB （Input Bias current）
      定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的平均值。（FET型运放输入的IB会很小）                                                                            
     运放的两个输入端不是绝对的高阻的，输入偏置电流主要描述输入端流进电流的数量级。举例：一个运放 正输入端 流进电流 1.3nA，IB1=1.3nA，负输入端流进电流0.6nA, IB2=0.6nA，那么该运放的输入偏置电流IB=(IB1+IB2)/2;                                                                                                               
输入偏置电流的影响：1）在测量外部微小电流时 ，过大的输入偏置电流会分掉被测电流，使测量不准。2）当运放输入端存在电阻接地时，这个电流将在电阻上产生输入电压(被放大Af倍)，这个输入电压会表现到输出，使输出电压不准确，甚至导致运放饱和输出。这个输入电压大小取决于该接地电阻值和IB1或IB2。
4、输入失调电流（Input offset current，Ios）
     定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进的电流的差值。（FET型运放输入的Ios会很小）
这个参数表明 运放两输入端客观存在电流差异，像之前同向放大 反向放大等电路结构所用的外部匹配电阻只能是在一定程度上抵消偏置电流IB的影响，并不能完全消除IB的影响。而外部匹配电阻的得出前提是假设IB1=IB2;   
图2 0输入时 运放的输出电压表达式：
取正端外部电位U+,负端电位U-，从正端流进电流IB1,负端流进电流IB2,得到（1）输入偏置电流IB 和 输入失调电流Ios，运放的输出电压为（2），最后解得（3）。这里把GN称之为噪声增益，在（3）式中可以看出输出电压Vo 和 输入失调电压Vos 、输入偏置电流IB1 IB2 以及外接的电阻有关。
根据图2中的式（3）总结出：
1）如果IB1=IB2,那么选择R1=R2//Rf，可以使偏置电流形成的失调电压项消失，但是实际运放IB1=IB2的可能性很小，所以在高要求场合，还是选用低失调电压，低偏置电流的运放，一般是FET型运放。
2） 外部电阻R1 R2 Rf越大，偏置电流引起的输出失调越明显。所以，尽量不要选用高阻值的外接电阻。3）在交流耦合电路中，不需要考虑这些 失调 偏置引起的“直流意外”。
4）单级增益较大的交流耦合电路，这些“直流意外”会降低输出端的动态范围。
5）电流测量时，选用输入偏置小 失调电压小 的运放，这取决于被侧电流的最小分辨率，以及电阻的选择。
6）必要时还要考虑环境温度变化引起的 偏置 失调变化。
7）当Rf远大于R2时，直流意外将被放大GN倍，这使得GN x Vos会明显偏离0点（可能上偏也可能下偏，取决于Vos是正还是负），会降低输出信号的摆幅（同 4））。例如：Vos=5mV,放大100倍，则输出端偏移0点0.5V。
8）为了降低下限截止频率，如果无休止的增大电阻R1,使得偏置电流对直流意外占主导地位，比如：R1=5K,IB=50uA，输入端的静默电压0.25V，再被放大到输出。因此对偏置电流较大的运放（uA级别），请谨慎选择外部电阻，宜小不宜大。

5、噪声

一个正常工作的放大电路，当输入端接地时，用示波器观察输出，我们看到的可能不是平直的细线，而是在一定幅度内的杂乱的波形。这就是噪声，放大电路的输出噪声小至uV以下，大到百mV以上，当然也与器件选择电路设计以及环境有关。
运放的输入端存在偏置电流，且这个偏置电流上存在电流的随机性波动。这个波动就是等效输入电流噪声，这个电流噪声只有经过外部电阻才能变成电压噪声，否则它不会对电路输出噪声产生影响。
两个参数：电压噪声密度en： nV/√Hz，电流噪声密度in：pA/√Hz
噪声来源
1）自身噪声：运放电路包括电阻等自身在电路输出端产生的噪声。
2）电源噪声：供电电源的噪声和纹波在输出端产生的噪声。
3）空间干扰：电路系统外部通过空间耦合进入电路输出端的噪声。
4）数字系统干扰：附近含有ADC的处理器系统，在布局 布线不合理情况下，对运放电路造成干扰。
降低输出噪声的方法：如果输出噪声的主要根源在电路本身，可采取如下措施
1）尽量降低放大电路的带宽。
2）选择等效带宽内噪声密度小的运放，一般注重电压噪声密度，在外部电阻较大的情况下，要选择电流噪声密度小的运放。
要注意电压噪声密度和电流噪声密度合理搭配，有些运放的电压噪声密度低，而电流噪声密度大，就不适合外部电阻较大的场合。
3）选择较小的外部电阻。
4）合理布置滤波器位置和滤波器类型。从噪声角度考虑，应该先放大再滤波，放大器在前，滤波器在后 把滤波器放到放大电路的后面。
5）注意屏蔽，它可以有效减小外部干扰对系统的影响。、
6）注意电源，稳定的电源以及电源去耦很关键。
7）注意基准，数据采集系统中，噪声很大程度来源于基准，比如基准电源
8）将数字系统和模拟系统分离，尽最大努力将数字系统对模拟系统的干扰降到最小。
9）选择低噪声运放。
噪声问题在两个领域会显得格外重要
第一是微弱信号提取，如果电路噪声淹没了有用的微小信号，而信号又没有明显的频率特征或者其他特征，也就没有办法把信号恢复出来了。
第二是 宽带 高频放大。
6、输入电压范围（Input Voltage Range）
定义：保证运放正常工作的最大输入电压范围。也称为共模输入电压范围。 一般运放的输入电压范围比电源电压范围窄 1V到几V，比如±15V 供电，输入电压范围在-12V~13V。
当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时，比如相差 0.1V 甚至相等、超过，都可以叫“输入轨至轨”，表示为Rail-to-rail input，或RRI。
理解：运放的两个输入端，任何一个的输入电压超过此范围，都将引起运放的失效。
7、输出电压范围（Output Voltage swing Low/High）
定义：在给定电源电压和负载情况下，输出能够达到的最大电压范围。或者给出正向最大电压VOH 以及负向最小电压 VOL——相对于给定的电源电压和负载而言；或者给出与电源轨（rail）的差距。
较好的运放输出电压范围可以与电源电压范围非常接近，比如几十 mV 的差异，这被称为“输出至轨电压” 。当这个运放的输出范围已经接近于电源电压范时，就称“输出轨至轨”，表示为Rail-to-rail output，或RRO。
理解：在没有额外的储能元件情况下，随着负载的加重，输出最大值与电源电压的差异会越大。这需要看数据手册中的附图。
输出电压范围，或者输出至轨电压有如下特点：
1） 正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致，但一般情况下数量级相同；
2） 至轨电压与负载密切相关，负载越重（阻抗小）至轨电压越大；
3） 至轨电压与信号频率相关，频率越高，至轨电压越大，甚至会突然大幅度下降；  
8、共模抑制比（Common-mode rejection ratio，CMRR）
定义：差模电压增益与共模电压增益的比值，用 dB表示。 CMRR = 20 log (Ad/Ac)  一般运放都有60dB以上的CMRR，高级的可达 140dB以上。
运算放大器在单端输入使用时，不存在这个概念。只有把运放接成类似于减法器形式，使得运放电路具备两个可变的输入端时，此指标才会发挥作用。
9、 开环电压增益（Open-loop gain，AVO）
定义：运放本身具备的输出电压与两个输入端差压的比值，用 dB 表示。 一般在 60dB~160dB之间。越大的，说明其放大能力越强。
开环电压增益是指放大器在开环工作时，实际输出除以运放正负输入端之间的压差。 AVO随频率升高而降低。
一般情况下，说某个运放的开环电压增益达到100dB，是指其低频最高增益。在特殊应用中，比如高精密测量、低失真度测量中需要注意此指标，在某个频率处实际的开环电压增益，将决定放大器的实际放大倍数与设计放大倍数的误差，也将决定放大器对自身失真的抑制，还将影响输出电阻等。

10、压摆率（Slew rate，SR）
定义：闭环放大器输出电压变化的最快速率。用V/μs 表示。 优劣范围：从2mV/μs 到9000V/μs 不等。
理解：此值显示运放正常工作时，输出端所能提供的最大变化速率，当输出信号想实 现比这个速率还快的变化时，运放就不能提供了，导致输出波形变形——原本是正弦波就变成了三角波。
对一个正弦波来说，其最大变化速率发生在过零点处，且与输出信号幅度、频率有关。设输出正弦波幅度为Am，频率为fout，过零点变化速率为DV，则
DV = 2 x π x Am x fout， (π:圆周率) 要想输出完美的正弦波，则正弦波过零点变化速率必须小于运放的压摆率。即 SR > DV = 2 x π x Am x fout。在高频信号中 要注意压摆率要满足SR>DV
11、建立时间（Settling Time）
运放从输入阶跃信号开始到输出进入指定误差范围内的稳定 所需要的时间。这个指标和压摆率密切相关，SR越大，建立时间越短。
建立时间由 运放自身延迟 压摆率 和 稳定时间 三者决定。对于运放组成的ADC前级驱动来说，建立时间是一个重要指标。

12、 电源电压抑制比（PSRR-Power Supply Rejection Ratio）
这个指标简单说明就可以：电源电压抑制比，其含义就是运放对电源上纹波或者噪声的抵抗能力。
频率越高，运放对电源纹波或者噪声的抵抗能力越弱，这导致运放电路的输出端会出现电源上的不干净因素。所以旁路电容的作用就是滤除电源上的噪声或者波动，特别在高频处，更需要滤除。
13、全谐波失真加噪声THD+Noise
这个指标一般放大器都没有，只有像音频领域的放大器才有。它是衡量一个时域波形与标准正弦波的差异程度的量。放大器的失真度越小越适合放大需要高保真的信号，比如高端音频设备。