【導讀】運算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學運算的結(jié)果。以下老司機將從十個問題帶你實戰(zhàn)運算放大器設(shè)計。
Q1：OPA內(nèi)部是怎樣構(gòu)成的？
“就是一堆晶體管”
（參考lm358 diagram）
- 包含輸入級，中間放大級和輸出級。基于應(yīng)用的話，不用特別關(guān)注內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
- 同相端和反相端輸入地方有等效二極管，就是所謂的ESD保護。一般運放內(nèi)部都會做。輸出端也有。但是因為做在芯片內(nèi)部，所以能力有限，即最大通過瞬間電流有限。
提示：芯片級的ESD等級和產(chǎn)品級的ESD等級完全是兩碼事，遵循的不是一個規(guī)范。
芯片規(guī)格書上，ESD指標雖然寫著2kV ，應(yīng)用到實際產(chǎn)品上，如果打2kV靜電上去，是無法承受的。產(chǎn)品ESD遵循的是IEC61340的標準。所以，設(shè)計過程中，想要通過選擇自身ESD高的芯片去防止浪涌，是不可取的。
所以一般芯片，用靜電槍直接打管腳，能承受400v靜電的已經(jīng)算頂尖芯片了。有的芯片會直接標機器模式，通常就是400v和200v這樣的值了。
Q2:OPA常用封裝有哪些？
常見1/2/4路，常用封裝基本都兼容。
小提示：設(shè)計時候盡量選通用封裝，否則很容易是Single Source（獨一物料，市面上沒有兼容的），結(jié)果就是被供應(yīng)商綁架。
日系的很多封裝尺寸很怪異。跟歐美系的很多封裝不一樣。所以選日系芯片的時候，留個心眼，一不小心，就是single source了。
Q3：OPA都有哪些作用？
放大小信號（或縮小大信號）
阻抗匹配
信號隔離：例如跟隨放大器
濾波（低通，高通，帶通濾波等）：一階濾波用的比較多，提示，網(wǎng)上小工具可以用來計算參數(shù)。
驅(qū)動：可以驅(qū)動音響，驅(qū)動視頻設(shè)備伽馬線，這些應(yīng)用都要求瞬間輸出電流很大。
- 運放驅(qū)動長線：線約長，分布電容越大，運放驅(qū)動容性負載，會產(chǎn)生震蕩
做小功率電源
- 一般運放輸出20-30mA，跟I/O口差不多。
- 有些特殊運放能夠輸出1-2A比較大電流的，可以當做小功率電源用，很干凈。但是不能做基準源，因為精度不夠。
Q4：OPA怎樣供電？
- 引用業(yè)內(nèi)資深專家：如果一個運放都不舍得用LDO供電，還指望談穩(wěn)定性？
- DCDC都不可以，最好盡量是LDO，最次也得7805。
Q5：OPA都有哪些類型？
超低功耗運放（Nano Power OPA）：幾百nA
低功耗運放（Micro Power OPA）：
高速運放（High Speed OPA）：重點兩個參數(shù)：增益帶寬積（GBP）和壓擺率（SR）
高精度運放（High Precision OPA）：重點兩個參數(shù)：Vos失調(diào)電壓（低于采樣電壓的一半），溫漂
低噪聲運放（Low Noise OPA）：常用于腦電波，心率，脈搏等小信號采集
差分放大器（Fully Differential OPA）：輸入共模抑制比足夠大（有人拿高精度運放當做差分放大器，為了節(jié)省成本，但是效果不行。）
功率放大器（Power OPA）：功放驅(qū)動
音頻放大器（Audio OPA）：
儀表放大器（Instrumentation OPA）：共模抑制比很高。配合專門電路，能夠有效去除共模干擾。
其他專用型放大器
Q6：OPA常用的參數(shù)有哪些？
輸入失調(diào)電壓（Input Offset Voltage） Vos
輸入失調(diào)電壓的溫漂（Offset Voltage Drift）：對Vos的補充
輸入偏執(zhí)電流（Input Bias Current)IB：
輸入失調(diào)電流（Input Offset Current）Ios：是IB的補充
共模電壓輸入范圍（Input Common-Mode Voltage Range）Vcm：運放在某個供電下，同相端和反相端給到的最大信號范圍。
輸出特性（Output Characteristic）
輸出電流限制（Output Current Limit）：關(guān)注這個參數(shù)，主要因為，有些應(yīng)用要求輸出電流盡量大，比如輸出線很長（跳線連接兩個系統(tǒng)）或者 負載輸入阻抗很小。
小提示：如果用長線鏈接兩個系統(tǒng)，輸出要串個電阻：1）來限流。2）防止熱插拔瞬間的浪涌 。
ESD和浪涌的區(qū)別。
1） 浪涌持續(xù)的是毫秒級，ESD靜電只持續(xù)微秒或者納秒級別。
2） 浪涌一般示波器可以抓下來。ESD靜電一般示波器是看不到的。
工作電壓范圍 VDD
靜態(tài)工作電流（Quiescent Current）Iq
增益帶寬積（Gain Bandwidth Product）GBP：對交流信號非常重要 ，直流信號可以不用關(guān)注太多。
壓擺率（Slew Rate）SR：GBP大，意味著SR大；SR值用來反映跳變沿快慢的。
開環(huán)增益（Open-Loop Voltage Gain）Aol：常見120db；這個值越大，留給設(shè)計放大倍數(shù)的余量越大。也是交流特性，跟頻率密切相關(guān)。
電壓噪聲密度（Voltage Noise Density）en：
相位裕度（Phase Margin）：越大越好，越穩(wěn)定
共模信號抑制比（Common Mode Rejection）：反映了對共模干擾信號的抑制能力，值越大越好。
電源紋波抑制比（Supply Voltage Rejection）：反映了對供電端噪聲的抑制能力，值越大越好。
Q7：三極管放大能代替運放放大嗎？
Yes：運放內(nèi)部本身就是一堆晶體管的集成，音樂發(fā)燒友所推崇的所謂“膽機”，很多就是用分立的晶體管、電子管所設(shè)計。
No：但是三極管參數(shù)一致性差，放大電路批量生產(chǎn)良率低，需要微調(diào)參數(shù)，生產(chǎn)工藝麻煩。
Q8：什么是軌至軌運放？
軌（Rail）指的是供電電壓
共模輸入電壓（Common Mode Input Voltage）范圍“包含（超過一點）”供電電壓，即所謂軌至軌輸入。
輸出電壓范圍“包含（幾乎達到）”供電電壓，即所謂軌至軌輸出。
Q9：運放可以用作比較器么？
Yes：
大部分運放是可以再開環(huán)下工作的
No：
-有一些運放的同相輸入與反相輸入之間有嵌位二極管（差分二極管保護），用作比較器時（壓差超過0.7v）會導致其中一個嵌位二極管導通，（如果源輸入阻抗很低，可以供的電流很大）從而有大電流流過，甚至燒壞芯片。
（看差模輸入電壓范圍，這個參數(shù)大，說明沒有嵌位二極管。可以用。）
-反應(yīng)速度慢，即使高速運放，也不夠快。
-穩(wěn)定性不佳，過載飽和時恢復時間長。
- 輸出無法真正到軌
輸入級由于補償電路作用，可以超過供電軌，但是輸出級由于晶體管的導通內(nèi)阻，無法真正到軌，會有幾mV~幾十mV的差距。
- 輸出誤差和帶負載阻抗相關(guān):負載大,輸出小，負載很重，輸出到電源軌的差距就很大
Q10：怎樣選擇合適的運放？
直流信號：
- 確定信號具體特性：信號范圍，精度。確定好這些參數(shù)，甚至就可以直接聯(lián)系FAE來幫助選型。
- 輸入失調(diào)電壓（Vos）：根據(jù)信號最小值，來決定，通常取最小信號值的二分之一以內(nèi)。例如，最小信號值是1mV，那就需要盡量選擇Vos在0.5mV以內(nèi)的。所有的運放都會給出該參數(shù)。著重看最大值，而不是典型值。
- 溫漂：看產(chǎn)品輸出地點，環(huán)境溫度可能不同。
- 輸入失調(diào)電流：如果傳感器帶載能力很差，即輸出阻抗很高，輸出電流小。對運放的輸出失調(diào)電流就有要求了，要求輸入運放的電流小，這樣對原信號的分壓就小。
- 耗電要求
- 工作電壓范圍
- 輸入輸出特性： 是否軌對軌的？還是非軌對軌。
交流信號
- 交流信號的具體特性
- 增益帶寬：待處理信號頻率X放大倍數(shù) X系數(shù)（一般取5-10）<=運放帶寬
- 開關(guān)增益
- 電壓噪聲密度
- 耗電要求
- 工作電壓
- 輸入輸出特性
