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低噪声放大器的指标分析

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(1)重要指标分析

①增益带宽积:运放开环增益/频率图中,指定频率处,开环增益与该指定频率的乘积。

理解:如果运放开环增益始终满足-20dB/10倍频,也就是频率提高10倍,开环增益变为0.1倍,那么它们的乘积将是一个常数,也就等于前述的“单位增益带宽”,或者“1Hz处的增益”。

在一个相对较窄的频率区域内,增益带宽积可以保持不变,基本满足-20dB/10 倍频的关系,我们暂称这个区域为增益线性变化区。要想获得高增益就必须得牺牲带宽,因为增益带宽积是一个常数。

②压摆率(Slew Rate)

定义:闭环放大器输出电压变化的最快速率。用 V/μs 表示。

优劣范围:从 2mV/μs 到 9000V/μs 不等。

理解:此值显示运放正常工作时,输出端所能提供的最大变化速率,当输出信号欲实现比这个速率还快的变化时,运放就不能提供了,导致输出波形变形――原本是正弦波就变成了三角波。

③相位裕度(Phase Margin)

定义:在运放开环增益和开环相移图中,当运放的开环增益下降到1时,开环相移值减去-180°得到的数值。相位裕度和增益裕度越大,说明放大器越容易稳定。

失真与噪声响应

④建立时间(Settling Time)

定义:运放接成指定增益(一般为 1),从输入阶跃信号开始,到输出完全进入指定误差范围所需要的时间。所谓的指定误差范围,一般有 1%,0.1%几种。

优劣范围:几个 ns 到几个 ms。

理解:建立时间由三部分组成,第一是运放的延迟,第二是压摆率带来的爬坡时间,第三是稳定时间。很显然,这个指标与 SR 密切相关,一般来说,SR 越大的,建立时间更小。

⑤Vos(输入失调电压)

定义:在运放开环使用时,加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为 0。也可定义为当运放接成跟随器且正输入端接地时,输出存在的非 0 电压。优劣范围:1?V 以下,儆诩优秀的。100?V 以下的属于较好的。最大的有几十mV。

理解:任何一个放大器,无论开环连接或者反馈连接,当两个输入端都接地时,理论上输出应该为 0,但运放内部两输入支路无法做到完全平衡,导致输出永远不会是 0。此时保持放大器负输入端不变,而在正输入端施加一个可调的直流电压,调节它直到输出直流电压变为 0V,此时正输入端施加的电压的负值即为输入失调电压,用Vos表示。但是,多数情况下,输入失调电压不分正负,生产厂家会以绝对值表示。

后果:当一个放大器被设计成AF倍闭环电压增益(同相输入放大增益,也称噪声增益)时,如果放大器的失调电压为Vos,则放大电路0输入时,输出存在一个等于AFVos的直流电平,此输出被称为输出失调电压。闭环增益越大,则输出失调电压也越大。

⑥Vos(输入失调电压偏移)

定义:当温度变化、时间持续、供电电压等自变量变化时,输入失调电压会发生变化。输入失调电压随自变量变化的比值,称为失调电压漂移。

3)相对于电源电压变化的比值,以 ?V/V 为单位,含义是调好的放大器,当电源电压发生 1V 变化,会引起失调电压的变化。没有明确的符号,常用文字表示。此数值在很多放大器数据手册中没有体现。

优劣范围:0.002?V/°C 到几十 ?V/°C。

理解:

失调电压漂移量,与数据手册上标注的失调电压(或称之为初始失调电压)本身有密切关系。初始失调电压小的,其漂移量也小。从多种放大器手册指标看,有以下规律:

1) 温度变化 40~500 度可能带来的失调电压变化,等同于初始失调电压。

2) 10~100个月带来的失调电压变化,等同于初始失调电压。

后果:很严重。因为它不能被调零端调零,即便调零完成,它还会带来新的失调。在高精度、高稳定性要求的场合,选择漂移系数较小的放大器,比失调电压大小更为重要。

⑦IB(输入偏置电流)

定义:当输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的平均值。

优劣范围:60fA~100?A。数量级相差巨大,这取决于运放输入端结构,FET 输入的会很小。

对策:为避免输入偏置电流对放大电路的影响,最主要的措施是选择IB较小的放大器。有很多 FET 输入运放可以实现这个要求。

⑧Ios输入失调电流

定义:当输出维持在规定的电平时,两个输入端流进电流的差值。

优劣范围:20fA~100?A。数量级相差巨大,这取决于运放输入端结构,FET 输入的会很小。

后果:失调电流的存在,说明两个输入端客观存在的电流有差异,用外部电阻实现匹配抵消偏置电流影响的措施,在此就失效了。

⑨噪声

芯片数据手册中的en(Input Referred Voltage Noise)为输入电压噪声,in(Input-Referred Current Noise)为输入电流噪声。