如何正確地選擇運(yùn)算放大器

        現(xiàn)代電子工業(yè)的趨勢(shì)是集成更多的功能到盡可能小巧的外形中，這已經(jīng)不是什么秘密。移動(dòng)電話(huà)就是這樣的實(shí)例。當(dāng)今許多生產(chǎn)商將MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)甚至衛(wèi)星電視功能集成在移動(dòng)電話(huà)里。過(guò)去幾年，該市場(chǎng)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，并且仍在快速擴(kuò)展。

        這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期通常較短，測(cè)試比實(shí)際設(shè)計(jì)耗費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間(設(shè)計(jì)大約需要4個(gè)月，測(cè)試需要6個(gè)月)。為此，設(shè)計(jì)師必須謹(jǐn)慎選擇器件，以避免對(duì)最終的產(chǎn)品進(jìn)行反復(fù)修改和導(dǎo)致延誤。

        下文將重點(diǎn)說(shuō)明一些有用的設(shè)計(jì)技術(shù)、簡(jiǎn)短的計(jì)算和通用的評(píng)估方法，以幫助設(shè)計(jì)師更好地進(jìn)行評(píng)估。

        在便攜電子領(lǐng)域，設(shè)計(jì)師基于多種因素(尺寸、成本和性能)，利用他們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和最佳判斷來(lái)選擇器件。但這些因素通常需要進(jìn)行權(quán)衡，設(shè)計(jì)師必須依據(jù)所需的最終產(chǎn)品謹(jǐn)慎選擇元件。幾乎與其它行業(yè)一樣，便攜市場(chǎng)，特別是移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)，通常會(huì)同時(shí)提供高端(多功能)和低端(廉價(jià))產(chǎn)品。

圖1：運(yùn)用多個(gè)運(yùn)算放大器減少輸出噪音。

        移動(dòng)電話(huà)主板包括不同的元件，如運(yùn)算放大器、音頻放大器及前置放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和ASIC等。選擇運(yùn)算放大器之前，設(shè)計(jì)師必須考慮封裝選項(xiàng)，以及更小的封裝是否會(huì)使性能降低。盡管在便攜產(chǎn)品領(lǐng)域小型封裝很受歡迎，但小型封裝可能會(huì)給設(shè)計(jì)師帶來(lái)麻煩和問(wèn)題。采用塑料封裝形式的運(yùn)算放大器，譬如SC70，往往不能達(dá)到與SOIC或MSOP封裝對(duì)應(yīng)產(chǎn)品相同的性能。微型芯片級(jí)封裝(CSP)(這實(shí)質(zhì)上是裸片)，暴露于光線下，輸入偏流可能發(fā)生數(shù)百量級(jí)的偏移。該封裝形式也容易在組裝期間發(fā)生破裂。

哪些參數(shù)最重要?

         在電池供電的應(yīng)用領(lǐng)域—特別是PDA和移動(dòng)電話(huà)，由于電池電壓會(huì)隨著干擾而下降，因此應(yīng)選擇PSRR性能好(~80dB)的運(yùn)算放大器。此外，要注意高增益配置，這是因?yàn)轳詈系竭\(yùn)放中的噪聲將導(dǎo)致噪聲電平升高。電阻器的選擇也十分關(guān)鍵，更大的阻值會(huì)產(chǎn)生更高的噪聲。設(shè)計(jì)師可以利用4？估算約翰遜噪聲(Johnson noise)或電阻噪聲，這里R的單位是K歐姆，因此100K歐姆電阻產(chǎn)生大約40nV噪聲!

如果運(yùn)用多個(gè)運(yùn)算放大器，減少噪聲的一個(gè)方法是采用圖1所示的方案。該方法可以按因子減少輸出噪聲，這里n是使用的放大器數(shù)量。對(duì)于LMV651而言，輸出噪聲將減少到大約12nV/。此外設(shè)計(jì)師必須考慮限制帶寬以使噪聲最小：設(shè)計(jì)師可以將一個(gè)小電容與反饋電阻并聯(lián)使用，借此降低噪聲。

        運(yùn)算放大器的選擇也取決于其它的器件。設(shè)計(jì)師面對(duì)的一個(gè)普遍挑戰(zhàn)是為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)選擇合適的運(yùn)算放大器。盡管市場(chǎng)上有許多類(lèi)型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，但是運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的匹配規(guī)則卻不一樣，設(shè)計(jì)師在做出選擇之前必須認(rèn)真考慮某些準(zhǔn)則。

圖2：在運(yùn)算放大器輸出端采用簡(jiǎn)單的低通濾波器。

        大致瀏覽兩種器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)將提供有用的信息，但這還不夠。首先，挑選供電電壓相同的運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。然后選擇THD+N小的運(yùn)算放大器。如果不能查找到失真數(shù)據(jù)，就查看輸出阻抗：輸出阻抗小的運(yùn)算放大器通常意味著更小的THD。速度是另外一個(gè)必須考慮的參數(shù)，盡管更快的運(yùn)算放大器速度用起來(lái)很舒服，但必須考慮一些折衷因素，譬如更高的功率和偶爾的不穩(wěn)定。

根據(jù)選擇的ADC，設(shè)計(jì)師應(yīng)選擇至少為ADC取樣率50倍速度的放大器。轉(zhuǎn)換速率也可能是一個(gè)限制因素，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)2？fVp進(jìn)行計(jì)算，這里f是輸入信號(hào)頻率，Vp是最大輸出擺幅。例如，頻率為400kHz的100mV輸入信號(hào)(增益為10)要求放大器的轉(zhuǎn)換速率至少為2.5V/μs。

        一旦確定了這些基本參數(shù)，設(shè)計(jì)師必須考慮穩(wěn)定時(shí)間，該參數(shù)可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。大多數(shù)制造廠商規(guī)定運(yùn)算放大器的穩(wěn)定時(shí)間在特定輸入電壓的0.1%或0.01%范圍內(nèi)。如果設(shè)計(jì)要求更高的精度，例如16位，那么就需要滿(mǎn)量程0.0015%范圍的參數(shù)。解決該問(wèn)題的一個(gè)方法是利用下面的公式，基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度來(lái)估計(jì)運(yùn)算放大器的穩(wěn)定時(shí)間：

這里，N是位數(shù)，f是放大器的開(kāi)環(huán)帶寬。

        例如增益為10的運(yùn)算放大器，如LMV651，精確度為12位時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間大約為1.4μs；精度為16位時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間是1.65μs。該公式只是一個(gè)近似算式，沒(méi)有考慮到雜散電容、主板電感或模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電容，這些因素都將影響穩(wěn)定時(shí)間。

做出最終的選擇之前，最重要的的指標(biāo)之一是運(yùn)算放大器的噪聲，噪聲較高的放大器會(huì)降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度，給系統(tǒng)帶來(lái)顯著誤差。開(kāi)始計(jì)算電路總輸出噪聲之前(這可能是一項(xiàng)十分冗長(zhǎng)乏味的工作)，最好先估計(jì)一下。這樣設(shè)計(jì)師就知道是否應(yīng)繼續(xù)使用所選的放大器。該估計(jì)涉及到運(yùn)算放大器在相關(guān)帶寬上的綜合電壓噪聲和運(yùn)放配置的增益。我們可以將該公式表述為：

這里，NG是噪聲增益，en是運(yùn)算放大器的電壓噪聲，BW是閉環(huán)帶寬。

在圖2的電路中，在輸出端采用簡(jiǎn)單的低通濾波器。在該例中，輸出噪聲是在該濾波器帶寬(按1/2πRC計(jì)算)下的綜合噪聲。如果采用二階濾波器，帶寬要乘以系數(shù)1.05。

利用上述公式和LMV651電壓噪聲密度(17nV/)，圖2電路在100kHz帶寬(濾波器帶寬)下的總輸出RMS噪聲是53.7V。一旦估算出總輸出噪聲，設(shè)計(jì)師可以利用下面的公式計(jì)算運(yùn)算放大器的信噪比(SNR)：

這里，VFS是滿(mǎn)量程電壓范圍，Eout是上文計(jì)算的運(yùn)算放大器噪聲。例如，2.5V信號(hào)產(chǎn)生的信噪比是86.4dB。

然后，設(shè)計(jì)師應(yīng)根據(jù)下面的公式計(jì)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總SNR：

        ADC121S021的SNR是72.3dB，當(dāng)ADC121S021與LMV651搭配時(shí)，總SNR是72.1dB。忽略諧波，設(shè)計(jì)師可以將該SNR轉(zhuǎn)換為等效的比特?cái)?shù)：ENOB=(SNR-1.76)/6.02，然后根據(jù)等價(jià)比特?cái)?shù)確定只損失了大約0.3dB，這相當(dāng)于0.03%總精度誤差。

        由于噪聲是特定帶寬下的綜合噪聲，顯然噪聲也與帶寬成比例。換言之，縮減帶寬將減少噪聲；擴(kuò)展帶寬將增加噪聲。如果決定選擇更高帶寬的濾波器，設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮選擇更低噪聲的放大器。例如，圖2電路中的10MHz濾波器產(chǎn)生不足71dB的總SNR，導(dǎo)致0.5比特?fù)p失。但將LMV791(5.8nV/)與相同的濾波器搭配使用時(shí)，SNR提高到72dB以上。設(shè)計(jì)師只要簡(jiǎn)單的選擇更低噪聲的運(yùn)算放大器就可以提高系統(tǒng)的精度。但必須考慮與此相關(guān)的各種折衷因素，例如功耗和封裝尺寸。

待考慮的其它規(guī)格指標(biāo)

        至此，我們討論了為設(shè)計(jì)選擇器件的基本原則和規(guī)則，但還有其它的一些因素有待考慮。例如，對(duì)于要求更高精度的應(yīng)用，DC指標(biāo)(譬如輸入偏移電壓和漂移)可能非常重要。