更换运算放大器时的三个主要注意事项

2021-05-25

更换运算放大器时的三个主要注意事项

当我们讨论更换通用或精密电压反馈运算放大器时的三个注意事项。这三个注意事项包括运算放大器的输入级拓扑，输出级拓扑和工艺技术。在给定的设计中，每一种都可能会导致意想不到的后果，从而可能会影响运算放大器的性能或功能或两者。

例如，输出级拓扑决定了输出摆幅范围，但也可能影响电路的稳定性，具体取决于开环输出阻抗Z o。替换运放时的其他重要考虑因素，例如背对背输入二极管，失调电压漂移和输入偏置电流漂移，不在本文的讨论范围之内，但我建议您对它们进行研究。

注意事项1：输入级拓扑（V os与V cm）

传统的单输入对和互补输入对是两种最常见的运算放大器输入级拓扑，如图1所示。图1a描绘了一个输入级，其中包括一对N沟道P沟道N沟道（NPN）晶体管。这样的拓扑通常具有包括负电源电压的输入共模电压范围，但可能仅扩展到正电源电压的1 V或2 V以内。作为此缺点的折衷方案，仅具有一对输入级晶体管对的运算放大器具有相对恒定的失调电压，因为这些晶体管本质上具有良好的匹配性。

图1单PNP晶体管对（a）和互补输入对（b）是常见的运算放大器输入级拓扑。

除了具有此类输入级的器件的共模电压范围减小之外，这些器件还可能遭受反相，这在某些运算放大器中会在输入共模电压超过线性输入共模范围时发生。在反相过程中，输出电压摆到相反的电压轨。尽管有板级技术可以防止这种情况的发生，但存在一个更简单的解决方案：互补对输入级（图1b）。

该拓扑具有一对N沟道金属氧化物半导体（NMOS）晶体管（当共模电压接近正电源电压时有效）和一对P沟道金属氧化物半导体（PMOS）晶体管（当共模电压接近负电源电压）。这种拓扑结构可防止相位反转，并在整个输入电源电压范围内扩展共模电压范围。

虽然这种拓扑扩展了输入共模范围，但在PMOS和NMOS晶体管对之间进行切换会产生偏移电压“过渡区域”，如图2所示。发生这种过渡的共模电压以及失调电压变化的幅度将取决于运算放大器的设计和工艺技术。具有较大失调电压变化的器件通常不被认为具有轨到轨输入（RRI），但是对于具有良好匹配的输入级晶体管对的器件，数字校正技术或失调修整通常具有RRI。除了失调电压外，其他规格（例如共模抑制比，带宽，噪声，压摆率和开环增益）通常会降低NMOS工作区域的性能。

图2具有互补输入对的输入级包括非RRI（a），RRI（b）和RRI修剪（c）。

值得一提的拓扑是零交叉放大器。零交叉放大器使用内部电荷泵，并且只有一对输入级晶体管。电荷泵在内部提升器件的电源电压，例如1.8 V，从而确保输入级晶体管对在整个电源电压范围（RRI）范围内线性工作，并且没有输入失调电压过渡区域（图3）。

图3零交叉运算放大器使用一个内部电荷泵，并具有一对输入级晶体管。

总之，在更换运算放大器时，请确保共模电压范围和输入级拓扑都与原始器件兼容。

考虑因素2：输出级（Z o）

更换运算放大器时要考虑的第二个主要考虑因素是Z o。这在驱动容性负载时尤其重要，因为Z o和负载会在运算放大器的环路增益曲线中产生一个极点。该极点会通过在反馈路径中增加延迟来引起稳定性问题，从而降低电路的相位裕度。

稳定容性负载的最常见解决方案之一是在负载和运算放大器电路之间放置一个隔离电阻R iso。R iso通过在传递函数中创建零来补偿极点。但是，零的位置（因此，R iso的值）取决于Z o。因此，不仅要了解Z o的大小，而且要了解其如何随频率变化，这一点很重要。图4描绘了各种Z o曲线以说明这一概念。

图4运算放大器显示出各种Z o曲线。

如果备用运算放大器的输出级不同，因此Z o曲线也不同，那么您可能需要调整补偿元件。运行用于TI仿真的PSpice®是一种相对快速简便的方法，可以检查设计的相位裕度并根据需要调整组件值。确保在工作台上测量小信号过冲，以验证仿真结果和设计在现实世界中的可靠性。

考虑因素3：制程技术（双极与CMOS）

最后，工艺技术会影响许多运算放大器的规格，包括失调电压，漂移，共模和输出摆幅范围，输出电压与输出电流的关系（爪形曲线），噪声和输入偏置电流。深入探讨所有这些规范不在本文讨论范围之内，但是要强调的几个规范包括输入偏置电流和噪声。

与互补金属氧化物半导体（CMOS）放大器相比，双极放大器或至少具有双极晶体管输入级的运算放大器具有相对较大的输入偏置电流。这是因为双极性输入级运算放大器的输入偏置电流取决于晶体管基极电流的大小，该大小通常在纳安级范围内。

尽管存在降低双极性放大器输入偏置电流的技术（例如，输入偏置电流消除），但CMOS放大器的输入偏置电流要小得多，通常在皮安甚至飞安范围内，因为它们的输入偏置电流是由泄漏引起的。保护设备输入引脚的静电放电二极管的电流。输入偏置电流规范对于在反馈网络中具有大电阻器的应用以及与高阻抗信号源接口时的应用尤其重要。因此，在这些应用之一中，如果要用双极放大器替换CMOS放大器，请务必小心。

除了输入偏置电流外，更换运算放大器时还应考虑运算放大器的输入电压噪声频谱密度曲线。该曲线绘制了噪声（以纳伏/平方根赫兹为单位）与频率的关系。该曲线有两个主要区域：1 / f和宽带区域。1 / f区域表示低频噪声分量，该低频噪声分量随频率增加而减小。宽带区域是高频噪声，通常在整个频率上是恒定的。1 / f“噪声角”是1 / f区域过渡到宽带区域的位置。比较运算放大器的噪声性能时，通常将其视为品质因数。通常，双极性放大器比CMOS放大器具有较低的1 / f噪声角。图5 描绘了双极和CMOS放大器的输入电压噪声频谱密度曲线。

图5显示了双极性和CMOS放大器的输入电压噪声频谱密度的比较。

更换运算放大器时，您还应该考虑宽带噪声和带宽的影响。例如，逻辑上可以轻松地将6-nV /√Hz，10MHz运算放大器替换为3nV /√Hz，50MHz运算放大器。但是，如果设计中没有外部滤波（例如，输出上有RC滤波器），则噪声较低，带宽较大的运算放大器实际上会比噪声较高，带宽较低的运算放大器在输出端产生更多的噪声。

其他重要考虑因素

下次需要更换运算放大器时，请确保考虑的不仅仅是电源电压，封装和引出线。例如，即使两个设备可能具有相同的共模电压范围，但它们可能具有不同的输入级设计。根据原始运算放大器和替换运算放大器的不同，这可能会引入一个过渡区域，当输入信号接近正电源时，过渡区域会导致性能下降。

同样，两个运算放大器可能具有相同的输出摆幅范围，但开环输出阻抗曲线却大不相同。在这种情况下，您应该模拟设计以确保足够的相位裕量。

接下来，用双极性运算放大器代替CMOS运算放大器（反之亦然）有很多含义。注意的两个包括输入偏置电流和噪声。如果原始设计的反馈网络中有大电阻，或者与高阻抗信号源接口，或者两者都有，则比较输入偏置电流图。

最后，在比较运放噪声性能指标和带宽时要格外小心。仅仅因为运算放大器具有较低的1 / f噪声角或较低的宽带噪声，并不一定意味着它对信号路径的影响较小。