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選擇合適的運(yùn)放必須知道的五大要點(diǎn)

發(fā)布時間:2012-06-28 來源:德州儀器

中心議題:
  • 什么是輸入的共模區(qū)間
  • 超出共模區(qū)間的影響
  • 不同運(yùn)放的VICMR變化
  • 違反VICMR的例子
  • 解決VICMR問題

為自己的電路挑選運(yùn)放要通過一個選擇過程,其中要考慮到最關(guān)鍵的應(yīng)用參數(shù)。審查的參數(shù)可能包括:電源電壓、增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率,以及輸入噪聲電壓。另外還必須考慮輸入共模區(qū)間,這對所有運(yùn)放電路都是一個關(guān)鍵參數(shù)。

終生與運(yùn)放打交道的工程師們很可能都遇到過這類情況,運(yùn)放出現(xiàn)了未曾預(yù)料的性能。運(yùn)放的好處是它們的輸出通常會說明真相。很多情況下,如果有什么異常,都會明顯地體現(xiàn)在其輸出端。輸出級的極限可能造成不良的輸出波形。也許輸出端的過多電容會造成振蕩,或者輸出級的電壓擺幅小于電源電壓軌,因此在達(dá)到滿軌電壓以前就出現(xiàn)削峰。

運(yùn)放的輸出端也會出現(xiàn)與輸出級毫無關(guān)系的奇怪現(xiàn)象。不良的輸出信號可能來自于器件輸入端的某些異常。運(yùn)放最常見的問題之一是超出了器件的輸入共模區(qū)間。不過,到底什么是輸入的共模區(qū)間,超出這一區(qū)間的影響是什么?

輸入共模電壓VICM是一位工程師在考慮運(yùn)放輸入時的首要規(guī)格之一,但它可能帶來一些混淆。VICM描述了一個電壓電平,它是反相和非反相輸入端的平均電壓(圖1)。通常用下式表示:

認(rèn)識VICM還有一種方式,即它是非反相和反相輸入端VIN+與VIN-的公共的電壓電平。在大多數(shù)應(yīng)用中,VIN+非常接近于VIN-,因?yàn)殚]環(huán)負(fù)反饋會使一個輸入端密切跟蹤另一個輸入端,使VIN+與VIN-之間的壓差接近于零。很多共模電路都是這種情況,包括電壓跟隨器,以及反相和非反相配置。這些情況下,通常會假設(shè)VIN+=VIN-=VICM,因?yàn)檫@些電壓幾乎是相同的。

描述運(yùn)放輸入的另一個參數(shù)項是輸入共模區(qū)間VICMR,或更準(zhǔn)確地說,是輸入共模電壓區(qū)間。這個參數(shù)在數(shù)據(jù)表中很常見,它是電路設(shè)計者最應(yīng)關(guān)注的參數(shù)。VICMR定義了運(yùn)放能正常工作的一個共模輸入電壓區(qū)間,并描述了輸入電壓與兩個電壓軌靠近的程度。

對VICMR的另一種認(rèn)識方式是,它描述了由最小值VICMR、VICMRMIN和最大值VICMR、VICMRMAX所確定的一個區(qū)間,如下式所示:
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其中,VICMRMIN是相對VCC-電壓軌的極限值,VICMRMAX是相對于VCC+電壓軌的極限值(圖2)。

當(dāng)運(yùn)放超出VICMR時,器件就可能不能做正常的線性運(yùn)行。因此,必須了解輸入信號的整個范圍區(qū)間,確保運(yùn)放不超出VICMR。

另一個混淆點(diǎn)是:VICM與VICMR是非標(biāo)準(zhǔn)的縮寫,各家IC供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表中經(jīng)常使用不同的術(shù)語,如VCM、VIC和VCMR。因此,必須清楚自己正在查看的規(guī)格,它不是一個特定的輸入電壓,而是一個輸入電壓的范圍。

不同運(yùn)放的VICMR變化

運(yùn)放的設(shè)計規(guī)格與所使用的工藝技術(shù)決定了器件的輸入級。例如,一只CMOS運(yùn)放的輸入級不同于雙極運(yùn)放的輸入級,也不同于JFET運(yùn)放。了解這些運(yùn)放間存在的差異非常重要。

表1是德州儀器公司幾款運(yùn)放及其VICMR。最大電源區(qū)間欄中描述了雙電源和單電源的極限。表中可以明顯看到,不同運(yùn)放的輸入?yún)^(qū)間VICMR各不相同。根據(jù)器件的類型,VICMR可能進(jìn)入或超出電源軌。因此,永遠(yuǎn)不能假定某個運(yùn)放可以接受某個輸入信號區(qū)間,除非驗(yàn)證了數(shù)據(jù)表中的規(guī)格。

有一個寬輸入范圍的特例值得一提,這就是軌至軌輸入運(yùn)放。盡管這個名稱暗示該運(yùn)放的輸入可以跨越整個電源軌的區(qū)間,但并非像人們可能假設(shè)的那樣,所有軌至軌輸入器件都可以覆蓋整個電源范圍。很多軌至軌輸入的運(yùn)放(如TI的OPA333)確實(shí)能跨越整個電源區(qū)間,而其它一些則達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),說明有誤導(dǎo)性。同樣,關(guān)鍵在于查看數(shù)據(jù)表指定的輸入?yún)^(qū)間規(guī)格。

違反VICMR的例子

違反VICMR的情況一般出現(xiàn)在使用3.3V、5V或其它低電壓應(yīng)用的單電源運(yùn)放中。在這些應(yīng)用中,輸入信號區(qū)間一般都是狹窄的,必須知道輸入信號和VICMR,才能確保運(yùn)放的正常運(yùn)行。一只違反了VICMR的運(yùn)放可能出現(xiàn)未預(yù)料的輸出性能,如信號在低于預(yù)期電壓電平處削峰,輸出信號電壓漂移,相位反轉(zhuǎn),或輸出過早地到達(dá)某個電源電壓軌。

為更好地理解違反VICMR的效果,下面給出一些實(shí)例。用兩只具有不同VICMR規(guī)格的運(yùn)放可演示這些效果。這些器件都有軌至軌的輸出,排除了輸出級造成的限制。一個單電源的電壓跟隨器電路用于兩只器件的評估(圖3)。所有測試均在一個實(shí)驗(yàn)臺上完成,室溫約為25°C。

第一個例子使用了一只VCC為10V的TLC2272運(yùn)放。數(shù)據(jù)表顯示,它在25°C和5V電源電壓下的典型VICMR區(qū)間為-0.3V~+4.2V。注意輸入極限接近于正電源軌,比VCC低0.8V。得到的近VCC輸入極限大約為9.2V。

測試電路時,在其輸入端加一個直流偏移為VCC電壓一半(或5V)的300Hz正弦波。調(diào) 節(jié)交流幅度,直到看到VOUT有一個變化。當(dāng)施加10V峰峰值輸入時,VOUT顯示一個接近正電源軌的削峰信號,而不是接近負(fù)電源軌。這個接近正電源軌的不良性能就是預(yù)計輸入超過9.2V時的結(jié)果。對于0~9.2V之間的VIN,VOUT顯示和預(yù)期一樣的正確波形(圖4)。
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第二個例子使用一只TL971軌至軌輸出的電壓跟隨器電路,但結(jié)果卻不同。此時,運(yùn)放采用一個單5V電源。從數(shù)據(jù)表規(guī)格可知,有保證的VICMR區(qū)間跨越了1.15V~ 3.85V范圍,或中心在VCC/2的大約2.7V峰峰值。輸入端加的是一個直流偏移為2.5V的1kHz正弦波。將VIN的幅度從200mV峰峰值調(diào)向更高電平,直到看到VOUT的變化。

VIN中心在2.5V時,VIN增加到2.7V峰峰值,VOUT都有預(yù)期的線性特性。當(dāng)VIN增加到約3.5V峰峰值時,中心在2.5V,VOUT繼續(xù)跟隨VIN,表現(xiàn)出正確的運(yùn)放特性。注意這個線性特性好于數(shù)據(jù)表對VICMR的限制,但仍然超出了保證的極限值。當(dāng)VIN增加到略高于3.52V峰峰值時,VOUT開始在接近正電源5V軌和負(fù)電源0V軌時表現(xiàn)出非線性特性(圖5)。VIN進(jìn)一步增加到4.2V峰峰值,明顯超出了VICMR。當(dāng)輸入峰值超過了近正電源軌的極限時,VOUT的信號輸出超出電源軌,跳到正電源軌5V以上,并停留在這里,直到VIN回到可接受范圍內(nèi)(圖6)。當(dāng)輸入跌到接近負(fù)電源軌的極限以下時,VOUT的信號表現(xiàn)出一個相位反轉(zhuǎn),跳至中軌2.5V,并以一個偏移跟隨VIN,直到VIN增加到VICMR內(nèi)的一個可接受電壓值。

這些例子表明,不同的非線性特性可以源于不同類型超出VICMR的運(yùn)放。雖然第二種情況中產(chǎn)生了相位反轉(zhuǎn),但注意這個相位反轉(zhuǎn)并不出現(xiàn)在所有違反VICMR的運(yùn)放中,它與運(yùn)放有關(guān)。

這些例子用一個交流信號,評估運(yùn)放電路的VICMR。另一種有用的測試是給圖3中的電路輸入端加一個直流電壓源。當(dāng)改變直流輸入時,輸出電平會以一種類似的方式變化,而不是總在改變。根據(jù)電路的類型,在運(yùn)放的早期評估中,可以采用交流分析或直流分析,也可兩者兼用。
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解決VICMR問題

如果在設(shè)計過程的晚期才發(fā)現(xiàn)運(yùn)放無法滿足VICMR要求,該怎么辦?也許該器件的其它參數(shù)非常適合于你的應(yīng)用,難以改換器件。這時可能要考慮下列一個或多個選項。首先,如果輸入波幅過大,則要用一個電阻分壓器,將信號保持在正確的VICMR區(qū)間內(nèi)。其次,如果輸入信號的偏移有問題,則嘗試使用一個輸入偏置或直流偏移電路,使輸入信號置于運(yùn)放VICMR區(qū)間規(guī)格內(nèi)。第三,可以嘗試換用一種能滿足所有其它要求的軌至軌輸入運(yùn)放。

在選擇一款運(yùn)放時,記住輸入共模電壓區(qū)間是最需懂得的重要規(guī)格。如果器件的輸入無法接受輸入信號的電平或范圍,則輸出端就會遇到麻煩。先處理好這個重要細(xì)節(jié),則以后當(dāng)電路正確工作時,你就會贊賞自己的選擇。
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