运算放大器的对信号放大的影响和运放的选型

2019年9月27日08:48:27 评论

本篇接上一篇《运算放大器技术参数及误差分析

由于运算放大器芯片型号众多,即使按照上述办法分类,种类也不少,细分就更多了,这对于初学者就难免犯晕。本节力求通过几个实际电路的分析,明确运算放大器的对信号放大的影响,最后总结如何选择运放。

CA3140的主要指标为:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压 μV 5000
  • 输入失调电压温度漂移 μV/℃ 8
  • 输入失调电流 pA 0.5
  • 输入失调电流温度漂移 pA/℃ 0.005
  • 这样可以计算出,在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 5000
  • 输入失调电流造成的误差 μV 0.0045
  • 合计本项误差为 μV 5000
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 2.5
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 5
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 20
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 50
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 500

初步结论是:高阻运放的输入失调电流很小,它造成的误差远远不及输入失调电压造成的误差,可以忽略;而输入失调电压造成的误差仍然不小,但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 200
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 0.001
  • 合计本项误差为 μV 200
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.1
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.2
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 0.8
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 2
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 20

初步结论是:高阻运放的输入失调电流温漂很小,它造成的误差远远不及输入失调电压温漂造成的误差,可以忽略;在使用高阻运放时,由于失调电压温度系数较大,造成的影响较大,使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。由于高阻运放的输入失调电流只有通用运放的千分之一,因此若其它条件不变,仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,几乎不会造成可明显察觉的误差。

HA5159的主要指标为:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压 μV 10000
  • 输入失调电压温度漂移 μV/℃ 20
  • 输入失调电流 nA 6
  • 输入失调电流温度漂移 pA/℃ 60
  • 这样可以计算出,在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 10000
  • 输入失调电流造成的误差 μV 54.5
  • 合计本项误差为 μV 10054
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 5.0
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 10.1
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 40.2
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 100.5
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 1005

初步结论是:输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大,但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 500
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 13.6
  • 合计本项误差为 μV 513
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.3
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.51
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 2.05
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 5.14
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 51.4

初步结论是:在使用高速运放时,由于失调电压温度系数较大,造成的影响较大,使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。若其它条件不变,仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,在25℃的温度下,可以计算出失调误差造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 10000
  • 输入失调电流造成的误差 μV 109
  • 合计本项误差为 μV 10109
  • 这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 500
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 27.3
  • 合计本项误差为 μV 527

初步结论:仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变,而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以,对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时,输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加,甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差,所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。

低功耗运放LF441的主要指标为:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压 μV 7500
  • 输入失调电压温度漂移 μV/℃ 10
  • 输入失调电流 nA 1.5
  • 输入失调电流温度漂移 pA/℃ 15
  • 这样可以计算出,在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 7500
  • 输入失调电流造成的误差 μV 13.6
  • 合计本项误差为 μV 7513
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 3.8
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 7.5
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 30.1
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 75.1
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 751

初步结论是:输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大,但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 250
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 3.4
  • 合计本项误差为 μV 253
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.1
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.25
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 1.01
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 2.53
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 25.3

初步结论是:在使用高速运放时,由于失调电压温度系数较大,造成的影响较大,使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。若其它条件不变,仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,在25℃的温度下,可以计算出失调误差造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 7500
  • 输入失调电流造成的误差 μV 27.3
  • 合计本项误差为 μV 7527
  • 这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 250
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 6.8
  • 合计本项误差为 μV 257

初步结论:仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变,而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以,对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时,输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加,甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差,所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。

精密运放OP07D的主要指标为:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压 μV 85
  • 输入失调电压温度漂移 μV/℃ 0.7
  • 输入失调电流 nA 1.6
  • 输入失调电流温度漂移 pA/℃ 12
  • 这样可以计算出,在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 85
  • 输入失调电流造成的误差 μV 14.5
  • 合计本项误差为 μV 99.5
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.05
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.1
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 0.4
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 1.0
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 10

初步结论是:精密运放输入失调电压和输入失调电流造成的误差不太大,而且可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差大于输入失调电流造成的误差。这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 17.5
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 2.7
  • 合计本项误差为 μV 20.2
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.01
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.02
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 0.08
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 0.2
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 2.0

初步结论是:在使用精密运放时,由于失调电压温度系数不大,造成的影响不大,使得它能够放大10mV以上的直流信号。若其它条件不变,在25℃的温度下,可以计算出仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,失调误差造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 85
  • 输入失调电流造成的误差 μV 29.1
  • 合计本项误差为 μV 114.1
  • 这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 17.5
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 5.5
  • 合计本项误差为 μV 23

初步结论:仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变,而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以,对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时,输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加,甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差,所以这时需要考虑采用增加运放输入电阻或是降低运放输入失调电流。

高精度运放ICL7650的主要指标为:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压 μV 0.7
  • 输入失调电压温度漂移 μV/℃ 0.02
  • 输入失调电流 nA 0.02
  • 输入失调电流温度漂移 pA/℃ 0.2
  • 这样可以计算出,在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 0.7
  • 输入失调电流造成的误差 μV 0.2
  • 合计本项误差为 μV 0.9
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.0004
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.0009
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 0.0035
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 0.0088
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 0.088

初步结论是:高精密运放输入失调电压和输入失调电流造成的误差很小可以不调零。其中输入失调电压造成的误差大于输入失调电流造成的误差。这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 0.5
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 0.05
  • 合计本项误差为 μV 0.55
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.0003
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.0005
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 0.0022
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 0.0055
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 0.055

初步结论是:在使用高精密运放时,由于失调电压温度系数很小,几乎没有造成影响,使得它能够放大1mV以以下的直流信号。若其它条件不变,在25℃的温度下,可以计算出仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,失调误差造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 0.7
  • 输入失调电流造成的误差 μV 0.4
  • 合计本项误差为 μV 1.1
  • 这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 0.5
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 0.09
  • 合计本项误差为 μV 0.59

初步结论:仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变,而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍,对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时,输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加,甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差。由于这些误差太小,不调零时的总误差不过2μV,所以忽略。

例一、运算放大器的对直流小信号放大的影响

这里的直流小信号指的是信号幅度低于200mV的直流信号。为了便于介绍,这里采用标准差分电路。这里假定同相输入端的输入电阻为R1,同相输入端的接地电阻为R3,反相输入端的输入电阻为R2,反相输入端的反馈电阻为R4。运放采用双电源供电。假定R1=R2=10k欧姆,R1=R2=100k欧姆,这样放大电路的输入电阻=10k欧姆,运放的同相端和反相端的等效输入电阻=10k欧姆并联100k欧姆≈9.09 k欧姆,输入增益Av=10。

这里假定工作温度范围是0~50℃,所以假定调零温度为25℃,这样实际有效变化范围只有25℃,可以减小一半的变化范围。还假定输入信号来自于一个无内阻的信号源,为了突出运放的影响,这里暂时不考虑线路噪声、电阻噪声和电源变动等的影响。

这里选用通用运放LM324、高阻运放CA3140、高速运放HA5159、低功耗运放LF441、精密运放OP07D、高精度运放ICL7650等6种运放来比较运算放大器的对直流小信号放大的影响。由于不同厂家的同种运放的指标不尽相同,这里运放的指标来自于中南工业大学出版社出版的《世界最新集成运算放大器互换手册》,所选的集成运算放大器指标如下:

LM324的主要指标为:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压 μV 9000
  • 输入失调电压温度漂移 μV/℃ 7
  • 输入失调电流 nA 7
  • 输入失调电流温度漂移 pA/℃ 10
  • 这样可以计算出,在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 9000
  • 输入失调电流造成的误差 μV 63.6
  • 合计本项误差为 μV 9063
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 4.5
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 9.1
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 36.3
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 90.6
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 906

初步结论是:输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大,但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 175
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 2.3
  • 合计本项误差为 μV 177.3
  • 输入信号200mV时的相对误差 % 0.09
  • 输入信号100mV时的相对误差 % 0.18
  • 输入信号 25mV时的相对误差 % 0.71
  • 输入信号 10mV时的相对误差 % 1.77
  • 输入信号 1mV时的相对误差 % 17.7

初步结论是:在使用LM324时,由于输入失调电压温度系数较大,造成的影响较大,使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。若其它条件不变,在25℃的温度下,可以计算出仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,输入失调误差造成的影响如下:

初步结论是:在使用LM324时,由于输入失调电压温度系数较大,造成的影响较大,使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。若其它条件不变,在25℃的温度下,可以计算出仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,输入失调误差造成的影响如下:

  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压造成的误差 μV 9000
  • 输入失调电流造成的误差 μV 127.3
  • 合计本项误差为 μV 9127
  • 这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:
  • 项目 单位 参数
  • 输入失调电压温漂造成的误差 μV 175
  • 输入失调电流温漂造成的误差 μV 4.5
  • 合计本项误差为 μV 179.5

初步结论:仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变,而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以,对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时,输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加,甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差,所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。

例二、运算放大器的外部电路对直流小信号放大的影响

这里的电路条件与例一相同。本例主要讨论共模抑制比、电源变动抑制、外部电阻不对称等的影响。这里仍然选用精密运放OP07D。由于不同厂家的同种运放的指标不尽相同,这里运放的指标来自于中南工业大学出版社出版的《世界最新集成运算放大器互换手册》,所选的集成运算放大器指标如下:

OP07D的主要指标为:

  • 项目 单位 参数
  • 电源变动抑制 μV/V 10
  • 输入偏置电流 nA 3
  • 共模抑制比 db 106

由电源变动抑制=10μV/V可以得知,在其它条件不变的情况下,电源电压变化幅度达到1V时造成输入失调电压增加10μV。可见,在低于10mV的微信号的放大中,对精度至少会造成0.1%的影响。共模抑制比由106db换算为2×105。在其它条件不变的情况下,输入信号==模电压幅度达到1V时造成输入电压增加5μV。可见,在低于10mV的微信号的放大中,对精度至少会造成0.05%的影响。

这里假定同相输入端的输入电阻为R1,同相输入端的接地电阻为R3,反相输入端的输入电阻为R2,反相输入端的反馈电阻为R4。运放采用双电源供电。假定 R1=10k欧姆,R2=30k欧姆,R3=100k欧姆,R4=300k欧姆,这样放大电路的增益Av=10,运放的同相端的等效输入电阻=10k欧姆并联100k欧姆≈9.09k欧姆,反相端的等效输入电阻=30k欧姆并联300k欧姆≈27.27k欧姆。这样,由于运放输入偏置电流造成的影响为:
运放的同相端由于输入偏置电流产生的电压=3nA×9.09 k欧姆=27.27μV,运放的反相端由于输入偏置电流产生的电压=3nA×27.27k欧姆=81.81μV

这样,对于输入端造成的误差等于输入偏置电流分别在运放的同相端与反相端等效电阻上的电压的差值(54.54μV)。可见,当运放的同相端与反相端等效电阻不同时,输入偏置电流将产生一定的影响,其中对于高阻运放的影响较小(它的输入偏置电流比普通运放小3个数量级),而对非高阻运放影响较大,特别是在低于10mV的微信号的放大中,对精度至少会造成0.2%的影响。

本例总结:对于同一个直流小信号放大时,通用运放、高阻运放、高速运放、低功耗运的性能接近,可以互换,但是从成本和采购角度来说,建议选用通用运放;但是若信号源内阻较大(例如大于10K欧姆)时,采用高阻运放能够减小运放输入失调造成的误差。若不做精度要求时,选用通用运放或是高阻运放。

通用运放或是高阻运放只能精密放大100mV以上直流信号。若要求精密放大100mV以下信号时,需要选用精密运放甚至高精度运放;本例中没有考虑的影响精度的因素太多,实际条件下,精度会更低。

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