本文的目的是在高層次上討論在替換通用或精確電壓反饋業(yè)務放大器時的三個考慮因素。這三個考慮因素包括:輸入階段拓撲結(jié)構(gòu)、輸出階段拓撲結(jié)構(gòu)和流程技術(shù)。其中每一個都有潛在的意想不到的后果,可能會影響操作放大器的性能或功能,或同時影響給定設計中的功能。

例如,輸出級拓撲決定輸出擺動范圍,但也可能影響電路的穩(wěn)定性,取決于開環(huán)輸出阻抗,Z O .替換OP放大器時的其他重要考慮因素,例如背對背輸入二極管、偏移電壓漂移和輸入偏置電流漂移,不在本文的范圍之內(nèi),但我確實建議調(diào)查它們。

兩個最常見的論壇放大輸入階段拓撲是傳統(tǒng)的單輸入對和互補輸入對,如圖所示。 圖1 .圖1a描述了由一對n-通道-n-通道(NPN)晶體管組成的輸入階段。這種拓撲結(jié)構(gòu)通常具有輸入共模電壓范圍,其中包括負電源電壓,但可能僅延伸到正電源電壓的1V或2V以內(nèi)。作為對這一缺點的權(quán)衡,只有一個輸入級晶體管對的OP安培具有相對恒定的偏移電壓,因為晶體管本質(zhì)上是很匹配的。

圖1 單PNP晶體管對(A)和互補輸入對(B)是常見的論壇放大輸入階段拓撲。

除了具有這種輸入級的降低共模電壓范圍的器件之外,這些器件還可能受到相位倒置的影響,當輸入共模電壓超過線性輸入共模范圍時,會發(fā)生在一些操作電瓶中。在相位倒轉(zhuǎn)時,輸出電壓向相反的鋼軌搖擺.雖然有一些董事會一級的技術(shù)來防止這種情況的發(fā)生,但有一個更簡單的解決辦法:互補對輸入階段(圖1b)。

這種拓撲結(jié)構(gòu)有一對N通道金屬氧化物半導體晶體管(在共模電壓接近正電源電壓時活動)和一對P通道金屬氧化物半導體晶體管(在共模電壓接近負電源電壓時活動)。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以防止相位倒轉(zhuǎn),并將共模電壓范圍擴展到整個輸入電源電壓范圍。

雖然這種拓撲結(jié)構(gòu)擴展了輸入共同模式的范圍,但是在PMO和NMOS晶體管對之間的切換產(chǎn)生了偏移電壓的"過渡區(qū)域",如圖所示。 圖2 .發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的共同模式電壓和偏移電壓變化的幅度將取決于OP放大器的設計和工藝技術(shù)。具有大偏移電壓變化的設備通常不被認為有鐵路到軌道的輸入(RRI),但對于那些有匹配的輸入級晶體管對的設備,數(shù)字校正技術(shù)或偏移調(diào)整通常有RRI。與偏移電壓不同的規(guī)格--例如共模排斥比、帶寬、噪聲、轉(zhuǎn)輪速率和開環(huán)增益--通常會降低NMOS操作區(qū)域的性能。

圖2 補充輸入對的輸入階段包括非RRI(A)、RRI(B)和RRI-TRMED(C)。

一個值得一提的拓撲是零交叉放大器。零交叉放大器使用內(nèi)部電荷泵,只有一對輸入級晶體管。充電泵內(nèi)部提升裝置的電源電壓,例如1.8V,這確保了輸入級晶體管對在整個供電電壓范圍(RRI)的線性操作,沒有輸入偏移電壓過渡區(qū)域( 圖3 ).

圖3 零交叉操作放大器使用內(nèi)部電荷泵和有一對輸入級晶體管。

總而言之,在替換操作放大器時,要確保共模電壓范圍和輸入級拓撲都與原裝置兼容。

替換操作放大器時要考慮的第二個主要考慮是Z O .當驅(qū)動電容負載時,這變得尤為重要,因為z O 負載在操作放大器的循環(huán)增益曲線中創(chuàng)建一個極。這個極可以通過在反饋路徑中添加延遲來引起穩(wěn)定性問題,從而減少電路的相位邊緣。

穩(wěn)定電容負載最常見的解決方案之一是放置隔離電阻,R 伊索 ,在負載和版本放大電路之間。R 伊索 通過在傳遞函數(shù)中創(chuàng)建一個零來補償極。零的位置(以及R的值) 伊索 )由Z決定。 O 但是。因此,不僅要了解Z的大小 O 以及頻率的變化。 圖4 描繪了各種Z O 曲線來說明這個概念。

圖4 OPS顯示了各種Z O 彎曲。

如果替換的操作放大器有不同的輸出階段--因此有不同的Z O 曲線-您可能需要調(diào)整補償組件。

最后,工藝技術(shù)影響到許多的p放大規(guī)格,包括偏移電壓、漂移、共模和輸出擺動范圍、輸出電壓相對于輸出電壓。輸出電流(利爪曲線),噪聲,和輸入偏置電流.深入研究所有這些規(guī)范超出了本文的范圍,但是一些規(guī)范突出了輸入偏置電流和噪聲。

雙極放大器,或至少具有雙極晶體管輸入級的OP安培,與互補金屬氧化物半導體(CMOS)放大器相比,具有相對較大的輸入偏流。這是因為雙極輸入級OP安培的輸入偏置電流取決于晶體管基流的大小,通常在納米安培的范圍內(nèi)。

雖然在雙極放大器中有減少輸入偏置電流的技術(shù)--例如,輸入偏置電流--CMOS放大器的輸入偏置電流要小得多,通常在皮安培甚至飛安范圍內(nèi),因為它們的輸入偏置電流是由保護設備輸入銷的靜電放電二極管的泄漏電流引起的。輸入偏置電流規(guī)范對于在反饋網(wǎng)絡中有大電阻的應用以及與高阻抗信號源接口時尤為重要。所以,如果你在其中一個應用中用雙極放大器替換CMOS放大器,請小心。

除了輸入偏置電流外,替換輸出放大器時,還考慮輸出放大器輸入電壓噪聲密度曲線。該曲線以每平方根赫茲的納米伏特相對于頻率繪制噪聲圖。這個曲線有兩個主要區(qū)域:1樓和寬帶區(qū)域。1/F區(qū)域代表了低頻噪聲分量,它隨著頻率的增加而減小。寬帶區(qū)域是頻率較高的噪聲,通常在頻率上是恒定的。1樓"噪音角"是1樓區(qū)域向?qū)拵^(qū)域過渡的地方。它通常被認為是一個優(yōu)點,在比較論壇放大器噪音性能。一般而言,雙極放大器的頻率比CMOS放大器低1/F。 圖5描述雙極和CMOS放大器的輸入電壓噪聲光譜密度曲線。

圖5 對雙極放大器和CMOS放大器的輸入電壓噪聲譜密度進行了比較.

在更換操作放大器時,你也應該考慮寬帶噪音和帶寬的影響。例如,你可以很容易地用一個3NV/赫茲、50MHZ的運算放大器替換一個6NV/N2O赫茲、10MHZ的運算放大器,這似乎是合乎邏輯的。然而,如果設計中沒有外部濾波--例如,輸出上有一個RC濾波器--那么低噪音、寬帶寬的輸出放大器實際上比高噪音、低帶寬的輸出放大器貢獻更多的噪音。

其他重要考慮

下一次你需要更換一個操作放大器時,一定要考慮更多的電壓,包裝和壓平。例如,盡管兩個裝置可能有相同的共模電壓范圍,但它們可能有不同的輸入級設計。根據(jù)原有的和替換的OP安培,這可能引入一個過渡區(qū)域,當輸入信號接近正供應時,會導致性能下降。

類似地,兩個OP安培可能有相同的輸出擺動范圍,但非常不同的開環(huán)輸出阻抗圖。在這種情況下,您應該模擬設計以確保足夠的相位邊緣。

接下來,用雙極OPS來替換CMOSOPS(反之亦然)有過多的暗示。兩個注意事項包括輸入偏置電流和噪聲.如果原設計在反饋網(wǎng)絡中有較大的電阻,則與高阻抗信號源接口,或兩者都有,則比較輸入偏置電流圖。

最后,在與帶寬進行比較時,要小心。僅僅因為操作放大器有一個低頻率的1樓噪音角或較低的寬帶噪音,并不一定意味著它對信號路徑貢獻較少的噪音。