更换运放时的关键考虑事项

文章作者:彼得·塞米格

本文主要讨论了替换通用或精密电压反馈运放时的三个考虑事项。

几个月前,我在选择“选择运算放大器时,写了一个标题为”3注意事项“的信号链基础文章。虽然该文章对于为新设计选择运算放大器(OP AMP)非常有用,但它不会涵盖更换运算放大器时需要考虑的内容。万博投注网址许多看起来明显的规格,如共同模式电压范围,结果忽略了细微差别。

本文的目的是在高水平上讨论替换通用或精密电压反馈运放时的三个考虑事项。这三个考虑事项包括运放输入级拓扑、输出级拓扑和工艺技术。在给定的设计中,这些都有可能影响运放的性能或功能或两者的潜在意外后果。

例如,输出级拓扑确定输出摆幅范围,但也可以影响电路的稳定性,具体取决于开环输出阻抗,ZO.。在更换运算放大器时更换诸如背对背输入二极管,偏移电压漂移和输入偏置电流漂移的其他重要考虑因素超出本文的范围,但我建议调查它们。

考虑No. 1:输入级拓扑(VOS.与V厘米

其中两个最常见的OP-AMP输入级拓扑是传统的单输入对和互补输入对,如图所示图1。图1A描绘了包括单对N沟道P沟道N沟道(NPN)晶体管的输入级。这种拓扑通常具有包含负电源电压的输入共模电压范围,但是可以仅延伸到正电源电压的1 V或2V内。作为这种缺点的权衡,只有一个输入级晶体管对的运算放大器具有相对恒定的偏移电压,因为晶体管固有匹配。

图1单个PNP晶体管对(A)和互补输入对(B)是普通的OP-AMP输入级拓扑。来源:德州仪器公司

除了具有这种输入级的装置的降低的共模电压范围之外,这些设备可能遭受相位反转,当输入共模电压超过线性输入共模范围时,在某些运算放大器中发生相位反转。在相位反转期间,输出电压摇动到相对的轨道。尽管存在板级技术来防止发生这种情况,但存在更简单的解决方案:互补的对输入级(图1b)。

该拓扑具有一对N沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管(当共模电压靠近正电源电压)和一对P沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管(当时共模电压接近负电源电压)。该拓扑可以防止相位反转,并在整个输入电源电压范围内扩展共模电压范围。

虽然该拓扑延伸了输入共模范围,但是PMOS和NMOS晶体管对之间的切换产生偏移电压“转换区域”,如图所示图2。发生这种转变的共模电压和偏置电压变化的幅度将取决于运放的设计和工艺技术。具有较大偏置电压变化的器件通常不被认为具有轨对输入(RRI),但对于那些具有良好匹配输入级晶体管对的器件,数字校正技术或偏置微调通常具有RRI。除偏置电压外的其他参数——例如共模抑制比、带宽、噪声、转摆率和开环增益——通常会降低NMOS工作区域的性能。

图2具有互补输入对的输入阶段包括非RRI (a)、RRI (b)和RRI-trim (c)。来源:德州仪器公司

一个值得一提的拓扑是零交叉放大器。零交叉放大器使用内部电荷泵,只有一对输入级晶体管。电荷泵内部促进装置的电源电压,例如1.8 V,这确保了在整个电源电压范围(RRI)上的输入级晶体管对的线性操作,并且没有输入偏移电压过渡区域(图3.)。

图3.零交叉运算放大器使用内部电荷泵并具有一对输入级晶体管。资料来源:德州仪器

总之,当更换运放时,请确保共模电压范围和输入级拓扑与原设备兼容。

考虑2号:输出阶段(ZO.

替换运算放大器时要考虑的第二个主要考虑是zO.。当驱动电容负载时,这变得特别重要,因为ZO.负载在运算放大器的环路增益曲线中创建一个极点。通过在反馈路径中增加延迟,该极点可以引起稳定性问题,从而减小电路的相位裕度。

用于稳定电容负载的最常见的解决方案之一是放置隔离电阻,RISO,在负载和运放电路之间。RISO通过在传递函数中创建零来补偿极点。零的位置(因此r的值ISO)取决于ZO.然而,。因此,重要的是不仅要了解Z的大小O.,以及它如何随频率变化。图4.描绘了各种ZO.曲线说明这一概念。

图4.OP-AMPS显示出各种Z.O.曲线。资料来源:德州仪器

如果替换运算放大器具有不同的输出级 - 因此不同的zO.曲线 - 您可能需要调整补偿组件。跑步pspice®.对于TI模拟,是一种相对快速且简单的方法,可以检查设计的相位余量并在需要调整组件值。务必测量位于工作台上的小信号过冲,以验证设计的仿真结果和真实世界的可靠性。

考虑3:工艺技术(双极型vs. CMOS)

最后,工艺技术影响许多运放规格,包括偏置电压、漂移、共模和输出摆幅范围、输出电压与输出电流(爪形曲线)、噪声和输入偏置电流。深入研究所有这些规范超出了本文的范围,但是需要强调的两个规范包括输入偏置电流和噪声。

与互补金属氧化物半导体(CMOS)放大器相比,双极放大器或至少具有双极晶体管输入级的OP AMP具有相对大的输入偏置电流。这是因为双极输入级运算放大器的输入偏置电流取决于晶体管基电流的大小,这通常在纳米孔的范围内。

虽然存在用于减小双极放大器中的输入偏置电流的技术 - 例如,输入偏置电流消除-CMOS放大器具有相当较小的输入偏置电流,其通常在PicoAmpere或甚至毫微液范围内,因为它们的输入偏置电流是由泄漏引起的保护装置输入销的静电放电二极管电流。输入偏置电流规范在反馈网络中具有大电阻的应用中尤为重要,并且当与高阻抗信号源接口时。因此,请小心如果您在其中一个应用中使用双极放大器更换CMOS放大器。

除了输入偏置电流外,在替换运算放大器时,考虑运算放大器的输入电压噪声谱密度曲线。该曲线绘制的噪声以每平方根赫兹纳伏特/频率为单位。这条曲线有两个主要区域:1/f和宽带区域。1/f区域代表低频噪声分量,随着频率的增加而减小。宽带区域是高频噪声,通常在频率上是恒定的。1/f“噪声角”是1/f区域过渡到宽带区域的地方。当比较运算放大器的噪声性能时,它通常被认为是一个优点。一般来说,双极放大器的1/f噪声角比CMOS放大器低。图5.描述了双极和CMOS放大器的输入电压噪声谱密度曲线。

图5.输入电压噪声谱密度的比较显示为双极和CMOS放大器。资料来源:德州仪器

您还应该考虑更换运算放大器时宽带噪声和带宽的影响。例如,您可以轻松替换6-NV /√Hz,10 MHz运算放大器,使用3-NV /√Hz,50 MHz运算放大器。但是,如果设计没有外部过滤 - 例如,输出上的RC滤波器 - 较低噪声,更广泛的带宽运算放大器实际上在输出时噪声比高噪声更高的带宽运算放大器。

其他重要考虑因素

下次您需要更换运放时,请确保考虑的不仅仅是电源电压、封装和引脚。例如,即使两个器件可能具有相同的共模电压范围,它们可能具有不同的输入级设计。万博投注网址根据原运放和替换运放的不同,这可能会引入一个过渡区,当输入信号接近正电源时,会导致性能下降。

类似地,两个运算放大器可以具有相同的输出摆幅范围,但具有非常不同的开环输出阻抗图。在这种情况下,您应该模拟设计以确保足够的相位余量。

接下来,用双极运算放大器替换CMOS运算放大器(或反之亦然)具有过多的含义。两个注释包括输入偏置电流和噪声。如果原始设计在反馈网络中具有大电阻器,则具有高阻抗信号源或两者的接口,比较输入偏置电流图。

最后,在将OP-AMP噪声性能规格与带宽结合使用时,请注意。仅仅因为运算放大器具有较低频率的1 / F噪声角或较低的宽带噪声并不一定意味着它对信号路径的噪声较少。

本文最初发布地球上模拟

彼得半字是德州仪器公司通用放大器的应用经理。

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