運算放大器工作原理及誤差分析

全功率帶寬BW：全功率帶寬定義為，在額定的負載時，運放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個恒幅正弦大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出幅度達到最大（允許一定失真）的信號頻率。這個頻率受到運放轉(zhuǎn)換速率的限制。近似地，全功率帶寬=轉(zhuǎn)換速率/2πVop（Vop是運放的峰值輸出幅度）。全功率帶寬是一個很重要的指標，用于大信號處理中運放選型。

建立時間：建立時間定義為，在額定的負載時，運放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個階躍大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時間。由于是階躍大信號輸入，輸出信號達到給定值后會出現(xiàn)一定抖動，這個抖動時間稱為穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間+上升時間=建立時間。對于不同的輸出精度，穩(wěn)定時間有較大差別，精度越高，穩(wěn)定時間越長。建立時間是一個很重要的指標，用于大信號處理中運放選型。

等效輸入噪聲電壓：等效輸入噪聲電壓定義為，屏蔽良好、無信號輸入的的運放，在其輸出端產(chǎn)生的任何交流無規(guī)則的干擾電壓。這個噪聲電壓折算到運放輸入端時，就稱為運放輸入噪聲電壓（有時也用噪聲電流表示）。對于寬帶噪聲，普通運放的輸入噪聲電壓有效值約10~20μV。

差模輸入阻抗（也稱為輸入阻抗）：差模輸入阻抗定義為，運放工作在線性區(qū)時，兩輸入端的電壓變化量與對應(yīng)的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，在低頻時僅指輸入電阻。一般產(chǎn)品也僅僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管做輸入級的運放的輸入電阻不大于10兆歐；場效應(yīng)管做輸入級的運放的輸入電阻一般大于109歐。

共模輸入阻抗：共模輸入阻抗定義為，運放工作在輸入信號時（即運放兩輸入端輸入同一個信號），共模輸入電壓的變化量與對應(yīng)的輸入電流變化量之比。在低頻情況下，它表現(xiàn)為共模電阻。通常，運放的共模輸入阻抗比差模輸入阻抗高很多，典型值在108歐以上。

輸出阻抗：輸出阻抗定義為，運放工作在線性區(qū)時，在運放的輸出端加信號電壓，這個電壓變化量與對應(yīng)的電流變化量的比值。在低頻時僅指運放的輸出電阻。這個參數(shù)在開環(huán)測試。

3． 運算放大器的對信號放大的影響和運放的選型
由于運算放大器芯片型號眾多，即使按照上述辦法分類，種類也不少，細分就更多了，這對于初學(xué)者就難免犯暈。本節(jié)力求通過幾個實際電路的分析，明確運算放大器的對信號放大的影響，最后總結(jié)如何選擇運放。

CA3140的主要指標為：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓 μV 5000
輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 8
輸入失調(diào)電流 pA 0.5
輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 0.005

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 5000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 0.0045
合計本項誤差為 μV 5000
輸入信號200mV時的相對誤差 % 2.5
輸入信號100mV時的相對誤差 % 5
輸入信號 25mV時的相對誤差 % 20
輸入信號 10mV時的相對誤差 % 50
輸入信號 1mV時的相對誤差 % 500

初步結(jié)論是：高阻運放的輸入失調(diào)電流很小，它造成的誤差遠遠不及輸入失調(diào)電壓造成的誤差，可以忽略；而輸入失調(diào)電壓造成的誤差仍然不小，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調(diào)零消除。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 200
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 0.001
合計本項誤差為 μV 200
輸入信號200mV時的相對誤差 % 0.1
輸入信號100mV時的相對誤差 % 0.2
輸入信號 25mV時的相對誤差 % 0.8
輸入信號 10mV時的相對誤差 % 2
輸入信號 1mV時的相對誤差 % 20

初步結(jié)論是：高阻運放的輸入失調(diào)電流溫漂很小，它造成的誤差遠遠不及輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差，可以忽略；在使用高阻運放時，由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。
由于高阻運放的輸入失調(diào)電流只有通用運放的千分之一，因此若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，幾乎不會造成可明顯察覺的誤差。

HA5159的主要指標為：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓 μV 10000
輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 20
輸入失調(diào)電流 nA 6
輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 60

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 54.5
合計本項誤差為 μV 10054
輸入信號200mV時的相對誤差 % 5.0
輸入信號100mV時的相對誤差 % 10.1
輸入信號 25mV時的相對誤差 % 40.2
輸入信號 10mV時的相對誤差 % 100.5
輸入信號 1mV時的相對誤差 % 1005

初步結(jié)論是：輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流造成的誤差較大，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調(diào)零消除。其中輸入失調(diào)電壓造成的誤差遠遠超過輸入失調(diào)電流造成的誤差。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 13.6
合計本項誤差為 μV 513

輸入信號200mV時的相對誤差 % 0.3
輸入信號100mV時的相對誤差 % 0.51
輸入信號 25mV時的相對誤差 % 2.05
輸入信號 10mV時的相對誤差 % 5.14
輸入信號 1mV時的相對誤差 % 51.4
初步結(jié)論是：在使用高速運放時，由于失調(diào)電壓溫度系數(shù)較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。

若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：
這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調(diào)誤差造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓造成的誤差 μV 10000
輸入失調(diào)電流造成的誤差 μV 109
合計本項誤差為 μV 10109
這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓溫漂造成的誤差 μV 500
輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差 μV 27.3
合計本項誤差為 μV 527
初步結(jié)論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫漂造成誤差，所以這時需要考慮采用高阻運放或是低失調(diào)運放。

低功耗運放LF441的主要指標為：
項目 單位 參數(shù)
輸入失調(diào)電壓 μV 7500
輸入失調(diào)電壓溫度漂移 μV/℃ 10
輸入失調(diào)電流 nA 1.5
輸入失調(diào)電流溫度漂移 pA/℃ 15