1、运放比较器基础培训,物料品质部IC组朱吉新,运放基础知识,一、运放基本结构 二、运放主要参数 三、运放的分类 四、运放的选用指导 五、CFA及案例介绍 六、业界发展趋势及我司供应商注：由于比较器同运放很类似，本课程以运放为主，比较器主要侧重应用。,一、运放基本结构,运算放大器是一个高放大倍数的直流耦合放大器。 三个部分 1、高阻抗的差分输入级 2、高放大倍数的中间级 3、低阻抗输出级,运放基本结构：高阻抗的差分输入级,不同运放主要表现在输入级，对运放技术要求也主要表现在输入级。输入级的差分对称性，决定了运放的很多参数：输入失调，输入偏置，输入共模电压和共模抑制能力，输入阻抗等参数。,运放基本结
2、构：高放大倍数的中间级,主要是基本的偏置设置，相位补偿，高的放大倍数,运放基本结构：低阻抗输出级,输出级主要提供一定的输出功率，输出保护等。输出级一般采用对管的形式，内部串入保护电阻，LM358，TL082内部还有过流保护使输出电压降低，OP07采用电阻限流的方法。,二、运放的主要参数,运放的参数很多（26项），有但实际应用中，主要关心下面几个参数 A、失调电压 B、失调电流和偏置电流 C、最大共模输入电压 D、增益带宽和转换速率(SR) E、电源纹波抑制比,运放的主要参数A：失调电压,失调电压是指使输出电压为零时，两输入端间所加的直流补偿电压。 实际应用中表现输入为零时输出电压的大小，一般通
3、过间接计算和测量。 下图中Vin=0时，Vo=Vio(R+Rf)/RVio=Vo.R/(R+Rf),运放的主要参数B：失调和偏置电流,偏置电流：使输出电压为零（或规定值）时，流入两输入端的电流的平均值。 失调电流：使输出电压为零（或规定值）时，流入两输入端的电流之差。 通用运放的失调电流在nA级，JFET运放为pA级。在一些实际应用中，可采用降低外围电阻的方法减少偏置的影响,运放的主要参数C：最大共模输入电压,比规定的共模抑制比下降6dB时的共模输入电压。 主要表现输出最高时对应的输入电压。一般通用运放最大共模电压为Vcc-1.5V。,单位增益带宽fBWG：开环增益为1(0dB)时对应的频率,
4、运放的主要参数D：增益带宽和SR,运放的主要参数D：增益带宽和SR,输出转换速率SR：输入端在施加规定的大信号阶跃脉冲电压时，输出电压随时间的最大变化率。对于做小信号比较器应用时，当压差同失调在同一个数量级内时，转换速率很低，一个转换时间可能到达10mS以上。 单位增益带宽主要是小信号指标，输出转换速率主要是大信号指标。此两个参数都是衡量器件速度的指标。,运放的主要参数E：电源纹波抑制比,TL082,LM358,OP07,Vcc(纹波)比较图。,Vcc,OP07,LM358,TL082,运放的主要参数,前面讲了运放的主要参数，下面我们从一个实际的资料看运放的参数。 有些参数厂家没有给出具体的数
5、据，只给一些特性曲线。,三、运放的分类,分类1：运放根据供电电压特点可分为 双电源运放 单电源运放 分类2、应用场合和部分参数特点可分为： 1、通用运放 2、精密运放 5、R2R运放 3、仪表运放 4、高速运放,运放的分类1：单电源和双电源运放,由于运放内部主要是采用电流源方式，在正常工作区间，其Icc随电源电压变化很小。 双电源运放就是需要正负电源供电，如15V供电, 单电源供电就是可直接用单电源供电，如15V供电。,运放的分类1：单电源和双电源运放,单电源运放也可正负电压供电 双电源可工作在不对称电源方式下，如+15,-5V.但不对称条件下，失调可能有一些小的变化。,运放的分类2：通用/精
6、密/R2R/仪表/高速,通用运放:主要指一些标准的运放，很常用的运放，如LM358,OP07等，他们具有标准的管脚兼容结构，在有些情况下，不同厂家的型号可直接替换使用。 精密运放：主要是指失调电压和失调电流比较小的运放，如OP07。但其没有严格的界限。,运放的分类2：通用/精密/R2R/仪表/高速,R2R运放：R2R运放是低功耗低电压下发展起来的运放，其主要是共模电压同Vcc/Vee相同或很接近Vcc/Vee,输出最大幅度也很接近Vcc/Vee. 在相同的Vcc条件下，能提供较宽输入输出范围。 TL082,LM358,MC33202输入输出特性比较,运放的分类2：通用/精密/R2R/仪表/高速
7、,仪表运放：仪表运放主要针对仪表类的信号采样放大而开发的运放，其一般采用两运放或三运放结构。此运放具有较高共模抑制比，其两端都可工作在高共模状态下。 高速运放：主要是其带宽和转换速率SR高。适合高速信号放大处理。,选型： 我司的运放编码很多，但主要用的还是358系列运放，这主要是由我司的产品特点决定的。一般的应用新设计推荐LM2904(MSO8)，LM224A。LM2904（SO8)，LM358A可继续使用。高精度的OP07可继续使用,也可考虑双路的OP2177，高精度运放。速度稍高的可用MC33172, TL082(B), TL084(B)。具体的选型可附件。,四、运放的选用指导,四、运放的
8、选用指导(运放规划方向）,四、运放的选用指导(比较器规划方向）,四、运放的选用指导,应用： 运放的应用相对比较简单，但应用中需要注意一些技巧。 1）小信号处理 2）比较应用 3) 闭环应用 4）端口保护 5）器件放置规则,运放的应用指导1:小信号处理,运放的选取原则: 信号最大幅度与失调的可比性。例如检测信号最大为75mV，选LM358，最大失调电压7mV，误差可达到10%。如果选LM358A，失调最大3mV，最大误差为4%，对于一般要求，LM358A的性价比较好。对精度要求很高的可选择OP07。,运放的应用指导1:小信号处理,比例电阻的选择： 偏置电流在比例臂上形成偏置电压，导致输入端形成偏
9、置误差。 Vib=Iib*R=100K*50nA=5mV.(100K电阻，LM358运放） 一般可选择10K100K之间的电阻。,运放的应用指导1:小信号处理,补偿电阻的选择： 加偏置电阻可抵消偏置电流的影响。补偿电阻大小和比例电阻的等效阻抗相同。但实际应用可根据运放特性和需求，可适当的选择,也可直接接地。,运放的应用指导1:小信号处理,正向放大设计：正向放大后，信号被放大，相序不变，输入阻抗高。 反相放大设计：信号放大，相序倒相（180度），输入阻抗低。 注意一般运放的输出不要对地直接并接电容，否则容易引起输出振荡。,运放的应用指导1:小信号处理,差分衰减和差分放大直流偏置：,运放的应用指导
10、1:小信号处理,交流整流检测（1）,Vx1,Vx2,Vo,VX1=VX2=-2/3VINA,运放的应用指导1:小信号处理,交流整流检测（2）,运放的应用指导1:小信号处理,信号隔离传输 从实际测试看，前面的稳定性优于后面一种,运放的应用指导1:小信号处理,仪表运放的应用注意 当输入信号浮空时，需要在输入端并联适当的平衡电阻，降低输入端的共模电压。,运放的应用指导1:小信号处理,信号的软件校正 软件校正技术的引入能大大降低对运放失调电压，失调电流，外围电阻等参数的依耐，同时降低设计成本。 VO=G*(Vi+Voffset) =G*Vi+K 一般选取零点和额定点作为校正点。,运放的应用指导1:小信
11、号处理,电阻匹配问题 当运放的输出信号进入DSP ADC 采样时，需要加匹配电阻降低ADC采样保持器对运放输出的影响。需要根据具体的DSP情况确定匹配电阻。,运放的应用指导2:比较应用,1、只适合低速应用。运放延时大，速率SR低，只适合低速应用 2、需要设置回滞特性。 3、并联需要二极管隔离。 4、注意输出结构同比较器有差别,运放的应用指导2:比较应用,实例分析1：过温保护。 采用电阻桥特性比较，省去比较基准。 比较应用中，对于低速应用，一般都要求加一定的回滞特性（正反馈），使保护信号稳定，不至于出现来回抖动。,运放的应用指导2:比较应用,实例分析2：关闭PWM。 用于控制UC3843的Com
12、p,容易出现不能锁定输出的情况,0.7V,1.4V,运放的应用指导2:比较应用,实例分析3：电源时序问题。 副边电源滞后原边，当副边电源工作在3V以下时，运放的输出状态不定，可能导致误动作。,运放的应用指导3:环路应用,采用PID控制，其电路基本相同，主要考虑调整外围参数。,运放的应用指导4:端口保护,在不同的单板，不同的电压之间要有限流（R+D)保护。,运放的应用指导5:器件放置规则,1、旁路电容尽量靠近VCC,GND，减小等效阻抗。 2、减少外围器件，输出的环路面积。 3、远离开关点，远离电感和变压器，必要时需要用地线屏蔽分隔。 4、减小公共阻抗，注意模拟低和功率地分布。 5、对于小信号，
13、大电流信号的采样放大，注意大面积覆铜。 6、尽量避免大面积器件直接接触运放的输入端口。,运放的应用指导5:器件放置规则,五、CFA及案例介绍,运放的技术和应用很成熟，并且其主要处理一些低功率的信号，其在应用中失效率相对小。几种失效模式： 输入端口过压击穿 此情况主要是输入端口的过电压浪涌导致端口失效 Vcc-GND过压击穿 主要是Vcc过电压，导致内部Vcc部位的击穿短路 过流保护不能满足要求 运放作比较器或电流环应用时，电流限制点不稳定或一致性比较差等，此主要是失调电压或偏置电流影响导致。 抗干扰能力 应用中反馈有些厂家的运放抗干扰能力差的，此可能同布线有关。,五、CFA及案例介绍,输入端口
14、过压击穿 此失效是BMP电源多次重复，多个产品出现的。,五、CFA及案例介绍,此明显的是PIN5端口过电压应力。测试工装引入的过电应力。,五、CFA及案例介绍,Vcc过压烧毁 表现VCC-GND短路，或工作电流过大。,五、CFA及案例介绍,异常翻转 输入负压导致输出异常翻转 输出负压导致输出异常翻转,六、业界发展趋势和我司供应商；,由于运放的结构比较标准，新的运放主要以低功耗，小封装方向发展。由于OP07系列，LM358，TL08X系列的运放依然在发挥作用，价格便宜，很多厂家基本没有设计新的运放考虑。 1、一些老的厂家谈出运放的设计和销售, 如NS。 2、新的半导体厂家以低成本，设计一些通用运放的替代产品，如AAC 2、高端模拟厂家继续设计一些产品，但专用性较强。如ADI,TI,LINEAR, MAXIM 我司运放的优选供应商 ST ON TI ADI 替代厂家 AAC AS358系列可考虑为低成本替代型号，但需要一个较长试用期,谢谢!,随时解答应用中出现的问题欢迎咨询,
