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更換運算放大器時的三個主要注意事項
更換運算放大器時的三個主要注意事項
當我們討論更換通用或精密電壓反饋運算放大器時的三個注意事項。這三個注意事項包括運算放大器的輸入級拓撲，輸出級拓撲和工藝技術。在給定的設計中，每一種都可能會導致意想不到的后果，從而可能會影響運算放大器的性能或功能或兩者。
例如，輸出級拓撲決定了輸出擺幅范圍，但也可能影響電路的穩定性，具體取決于開環輸出阻抗Z o。替換運放時的其他重要考慮因素，例如背對背輸入二極管，失調電壓漂移和輸入偏置電流漂移，不在本文的討論范圍之內，但我建議您對它們進行研究。
注意事項1：輸入級拓撲（V os與V cm）
傳統的單輸入對和互補輸入對是兩種最常見的運算放大器輸入級拓撲，如圖1所示。圖1a描繪了一個輸入級，其中包括一對N溝道P溝道N溝道（NPN）晶體管。這樣的拓撲通常具有包括負電源電壓的輸入共模電壓范圍，但可能僅擴展到正電源電壓的1 V或2 V以內。作為此缺點的折衷方案，僅具有一對輸入級晶體管對的運算放大器具有相對恒定的失調電壓，因為這些晶體管本質上具有良好的匹配性。
圖1單PNP晶體管對（a）和互補輸入對（b）是常見的運算放大器輸入級拓撲。
除了具有此類輸入級的器件的共模電壓范圍減小之外，這些器件還可能遭受反相，這在某些運算放大器中會在輸入共模電壓超過線性輸入共模范圍時發生。在反相過程中，輸出電壓擺到相反的電壓軌。盡管有板級技術可以防止這種情況的發生，但存在一個更簡單的解決方案：互補對輸入級（圖1b）。
該拓撲具有一對N溝道金屬氧化物半導體（NMOS）晶體管（當共模電壓接近正電源電壓時有效）和一對P溝道金屬氧化物半導體（PMOS）晶體管（當共模電壓接近負電源電壓）。這種拓撲結構可防止相位反轉，并在整個輸入電源電壓范圍內擴展共模電壓范圍。
雖然這種拓撲擴展了輸入共模范圍，但在PMOS和NMOS晶體管對之間進行切換會產生偏移電壓“過渡區域”，如圖2所示。發生這種過渡的共模電壓以及失調電壓變化的幅度將取決于運算放大器的設計和工藝技術。具有較大失調電壓變化的器件通常不被認為具有軌到軌輸入（RRI），但是對于具有良好匹配的輸入級晶體管對的器件，數字校正技術或失調修整通常具有RRI。除了失調電壓外，其他規格（例如共模抑制比，帶寬，噪聲，壓擺率和開環增益）通常會降低NMOS工作區域的性能。
圖2具有互補輸入對的輸入級包括非RRI（a），RRI（b）和RRI修剪（c）。
值得一提的拓撲是零交叉放大器。零交叉放大器使用內部電荷泵，并且只有一對輸入級晶體管。電荷泵在內部提升器件的電源電壓，例如1.8 V，從而確保輸入級晶體管對在整個電源電壓范圍（RRI）范圍內線性工作，并且沒有輸入失調電壓過渡區域（圖3）。
圖3零交叉運算放大器使用一個內部電荷泵，并具有一對輸入級晶體管。
總之，在更換運算放大器時，請確保共模電壓范圍和輸入級拓撲都與原始器件兼容。
考慮因素2：輸出級（Z o）
更換運算放大器時要考慮的第二個主要考慮因素是Z o。這在驅動容性負載時尤其重要，因為Z o和負載會在運算放大器的環路增益曲線中產生一個極點。該極點會通過在反饋路徑中增加延遲來引起穩定性問題，從而降低電路的相位裕度。
穩定容性負載的最常見解決方案之一是在負載和運算放大器電路之間放置一個隔離電阻R iso。R iso通過在傳遞函數中創建零來補償極點。但是，零的位置（因此，R iso的值）取決于Z o。因此，不僅要了解Z o的大小，而且要了解其如何隨頻率變化，這一點很重要。圖4描繪了各種Z o曲線以說明這一概念。
圖4運算放大器顯示出各種Z o曲線。
如果備用運算放大器的輸出級不同，因此Z o曲線也不同，那么您可能需要調整補償元件。運行用于TI仿真的PSpice?是一種相對快速簡便的方法，可以檢查設計的相位裕度并根據需要調整組件值。確保在工作臺上測量小信號過沖，以驗證仿真結果和設計在現實世界中的可靠性。
考慮因素3：制程技術（雙極與CMOS）
最后，工藝技術會影響許多運算放大器的規格，包括失調電壓，漂移，共模和輸出擺幅范圍，輸出電壓與輸出電流的關系（爪形曲線），噪聲和輸入偏置電流。深入探討所有這些規范不在本文討論范圍之內，但是要強調的幾個規范包括輸入偏置電流和噪聲。
與互補金屬氧化物半導體（CMOS）放大器相比，雙極放大器或至少具有雙極晶體管輸入級的運算放大器具有相對較大的輸入偏置電流。這是因為雙極性輸入級運算放大器的輸入偏置電流取決于晶體管基極電流的大小，該大小通常在納安級范圍內。
盡管存在降低雙極性放大器輸入偏置電流的技術（例如，輸入偏置電流消除），但CMOS放大器的輸入偏置電流要小得多，通常在皮安甚至飛安范圍內，因為它們的輸入偏置電流是由泄漏引起的。保護設備輸入引腳的靜電放電二極管的電流。輸入偏置電流規范對于在反饋網絡中具有大電阻器的應用以及與高阻抗信號源接口時的應用尤其重要。因此，在這些應用之一中，如果要用雙極放大器替換CMOS放大器，請務必小心。
除了輸入偏置電流外，更換運算放大器時還應考慮運算放大器的輸入電壓噪聲頻譜密度曲線。該曲線繪制了噪聲（以納伏/平方根赫茲為單位）與頻率的關系。該曲線有兩個主要區域：1 / f和寬帶區域。1 / f區域表示低頻噪聲分量，該低頻噪聲分量隨頻率增加而減小。寬帶區域是高頻噪聲，通常在整個頻率上是恒定的。1 / f“噪聲角”是1 / f區域過渡到寬帶區域的位置。比較運算放大器的噪聲性能時，通常將其視為品質因數。通常，雙極性放大器比CMOS放大器具有較低的1 / f噪聲角。圖5 描繪了雙極和CMOS放大器的輸入電壓噪聲頻譜密度曲線。
圖5顯示了雙極性和CMOS放大器的輸入電壓噪聲頻譜密度的比較。
更換運算放大器時，您還應該考慮寬帶噪聲和帶寬的影響。例如，邏輯上可以輕松地將6-nV /√Hz，10MHz運算放大器替換為3nV /√Hz，50MHz運算放大器。但是，如果設計中沒有外部濾波（例如，輸出上有RC濾波器），則噪聲較低，帶寬較大的運算放大器實際上會比噪聲較高，帶寬較低的運算放大器在輸出端產生更多的噪聲。
其他重要考慮因素
下次需要更換運算放大器時，請確保考慮的不僅僅是電源電壓，封裝和引出線。例如，即使兩個設備可能具有相同的共模電壓范圍，但它們可能具有不同的輸入級設計。根據原始運算放大器和替換運算放大器的不同，這可能會引入一個過渡區域，當輸入信號接近正電源時，過渡區域會導致性能下降。
同樣，兩個運算放大器可能具有相同的輸出擺幅范圍，但開環輸出阻抗曲線卻大不相同。在這種情況下，您應該模擬設計以確保足夠的相位裕量。
接下來，用雙極性運算放大器代替CMOS運算放大器（反之亦然）有很多含義。注意的兩個包括輸入偏置電流和噪聲。如果原始設計的反饋網絡中有大電阻，或者與高阻抗信號源接口，或者兩者都有，則比較輸入偏置電流圖。
最后，在比較運放噪聲性能指標和帶寬時要格外小心。僅僅因為運算放大器具有較低的1 / f噪聲角或較低的寬帶噪聲，并不一定意味著它對信號路徑的影響較小。