電路設計中通用運算放大器

2020-08-06

任何電路的成功都主要取決于您選擇合適的組件來(lái)完成工作的能力。電子商務(wù)中的每個(gè)公司都在努力選擇通用IC。許多工程師第一選擇的晶體管，邏輯門(mén)或SMD LED。我知道高效率的反向安裝藍色LED給我的眼睛帶來(lái)了幼稚的喜悅之淚，而我并不是其中的一個(gè)。建立一個(gè) 可以反復使用的大量組件庫  可以降低生產(chǎn)成本，并簡(jiǎn)化將新產(chǎn)品投放市場(chǎng)所需的工程工作。

作為我們武器庫中最靈活的模擬組件，選擇正確的運算放大器尤為關(guān)鍵。正確的運算放大器可以在永無(wú)止境的質(zhì)量和性能爭奪與平穩，長(cháng)達十年的生產(chǎn)之間發(fā)揮作用，而您幾乎不必費勁。

諸如FPGA和計算機處理器之類(lèi)的巨大硅片的定價(jià)主要取決于硅芯片的表面積（包括其對成品率的影響），諸如5nm之類(lèi)的密集工藝工藝的稀缺性，知識產(chǎn)權，研究與開(kāi)發(fā)。小型模擬和數字組件不會(huì )遵循相同的規則。我們可以認為是有效的通用選擇的許多運算放大器已有20多年的歷史，并且已售出數十億件。長(cháng)期以來(lái)，所有的研究和開(kāi)發(fā)成本都已經(jīng)收回，并且制造過(guò)程已經(jīng)成功運行了數十年，同時(shí)在多個(gè)不同的經(jīng)濟領(lǐng)域內并行進(jìn)行。

批量購買(mǎi)時(shí)，簡(jiǎn)單，通用且質(zhì)量穩定的IC通常很貴，特別是當不是直接從工廠(chǎng)而是通過(guò)中間商購買(mǎi)時(shí)。大部分成本是由于裸模，測試，包裝和運輸所致。

單電路和多電路運算放大器的價(jià)格之間沒(méi)有太大差異，因為大部分過(guò)程是相同的。

使用多電路運算放大器可以節省電路板空間，去耦電容器和組裝成本。附加的運算放大器還可以用于提高性能和可靠性，例如，通過(guò)在精密的模擬子電路中增加輸入和輸出跟隨器，使其性能與電源和負載的阻抗無(wú)關(guān)。

只要有可能，就應該將多個(gè)單獨的運算放大器合并為一個(gè)IC。在開(kāi)發(fā)階段，保留一些未使用的運算放大器也可以為您提供幫助。

電源供應

運算放大器最關(guān)鍵的電源參數是其電源電壓范圍，功耗和PSRR（電源抑制比）。

與大多數模擬   IC 相似，運算放大器的功耗  通常以毫安（或微安）而不是毫瓦為單位。

您的電源要求將取決于您的產(chǎn)品是否由電池供電。在過(guò)去的十年中，我們已經(jīng)擁有了新一代的低功耗和高精度運算放大器，但價(jià)格尚未下降到可以連續生產(chǎn)40多年的IC的水平。在現代CMOS設計中，典型的功耗是幾微瓦，但是毫瓦BJT范圍仍然是最實(shí)惠的。

對于通用運算放大器，超過(guò)100dB的PSRR無(wú)疑已成為“不必擔心”的領(lǐng)域。

LM324DT具有100dB的PSRR，375uA的電源電流（是四個(gè)放大器的1.5mA的乘積），并且可在5V的電壓下使用。數據手冊規定了從3V開(kāi)始的單電源供電，但在1.5V時(shí)基本上只有一半的輸入電壓可用，并且輸出電流能力有限，因此幾乎不值得考慮。

為了在3.3V下使用，我強烈建議使用軌到軌輸入和輸出（RRIO）CMOS運算放大器，例如Microchip的MCP6001。這款運算放大器是有史以來(lái)最暢銷(xiāo)的IC之一，這主要是因為其成本低廉，而且價(jià)格低廉，但仍需要權衡取舍。與價(jià)格類(lèi)似的BJT運算放大器相比，失調電壓相當中等。如果PCB設計不當，則皮安輸入電流可能會(huì )出現問(wèn)題。在所有設計中實(shí)施保護痕跡可能會(huì )很煩人，并且低偏置電流會(huì )使您的電路板由于環(huán)境污染和制造工藝而導致性能變化。

實(shí)施  保護跟蹤  并不總是像數據表所暗示的那么簡(jiǎn)單

近年來(lái)，許多PCB組裝商已改用完全免清洗或水溶性助焊劑來(lái)減少環(huán)境污染。這種變化使我為我們的行業(yè)感到自豪，但是如果清洗不正確的水溶性助焊劑會(huì )留下吸濕性殘留物。當這些殘留物被環(huán)境濕度激活時(shí)，會(huì )引起漏電流的增加。在輸入偏置電流的數量級至少為幾納安的數量級的設計中，這很少出現問(wèn)題，但是在使用具有皮安級輸入電流的CMOS運算放大器時(shí)必須格外小心。

輸入項

我一直希望通用放大器提供低輸入失調電壓，對于大多數應用來(lái)說(shuō)足夠低的偏置電流，但又不會(huì )太低，以至于使我們的PCB設計與保護走線(xiàn)變得復雜。這些輸入可以盡可能靠近電源軌和良好的CMRR（共模抑制比）。

如果運算放大器不能足夠接近地面，我們就不能在沒(méi)有求助于虛擬地面的情況下將其實(shí)際用作同相放大器單電源操作。與ADC的接口也變得越來(lái)越困難，尤其是當ADC嵌入微控制器時(shí)。

靠近上部供應導軌完全是另一回事。

軌到軌運算放大器在靠近上部電源軌時(shí)往往會(huì )權衡諸如輸入偏置電流和共模抑制比（CMRR）之類(lèi)的性能。它們中的一些采用集成的電荷泵電路來(lái)產(chǎn)生高于頂軌的內部電壓，但是管芯中的硅電容器增加了成本和復雜性。業(yè)界花了很多年才能達到標準運算放大器和RRIO放大器之間可比的性能，而多年來(lái)，標準運算放大器已經(jīng)變得越來(lái)越便宜。

最后，靠近上部電源導軌很有用，但在大多數應用中不是必需的?？梢詫⒋蠖鄶惦娐吩O計成在地和4V之間工作，而不是在地和5V之間工作。這些數字不會(huì )那么漂亮和全面，但是生活中最糟糕的悲劇。

輸入失調電壓應保持在5mV（0-5V范圍的1/1000）以下，以便在最廣泛的通用應用范圍內使用。

低于100nA的偏置電流應足以滿(mǎn)足大多數實(shí)際用途。使用100K輸入電阻器，這相當于增加了10mV的失調。

LM324ST的偏置電流為20nA，相當于100Kohm偏置電壓下的2mV，與3mV偏置電壓的幅度相同（在環(huán)境溫度下最差）。

輸出量

我希望運算放大器在以5V供電時(shí)具有至少20mA的輸出電流，以驅動(dòng)簡(jiǎn)單的RC低頻濾波器，并且對于緩沖輸出很有用。

理想情況下，輸出擺幅應盡可能靠近軌，但只有CMOS RRIO（軌至軌輸入和輸出）運算放大器才允許這樣做。

與輸入偏置電流和CMRR隨著(zhù)輸入共模電壓接近軌而變得最糟的情況類(lèi)似，當接近V +時(shí)，CMOS放大器的輸出級通常表現不佳。

許多模擬  電路  需要串聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)運算放大器，因此在輸入和輸出上使用性能相似的IC通常會(huì )簡(jiǎn)化設計。

我最喜歡的運算放大器

選擇運算放大器有時(shí)可能類(lèi)似于婚姻。明智地選擇，您會(huì )很快變得憤青和專(zhuān)橫。但是，如果幸運的話(huà)，您會(huì )發(fā)現自己每天都對自己的選擇感到更加感謝，最終回頭微笑。

沒(méi)有運算放大器適合所有應用。但是我可以在幾乎所有產(chǎn)品中找到一個(gè)運放，然后為它找到位置，這就是LM324DT。

它也是主要品牌中為數不多的，能在深圳市場(chǎng)上找到的價(jià)格適中的組件之一，價(jià)格幾乎下降到了0.03美元（相當于4個(gè)運算放大器?。?。

LM324DT的嚴重缺點(diǎn)是使用5V或3.3V電源供電時(shí)性能有限。

幸運的是，有許多類(lèi)似規格的低壓運算放大器可供選擇。德州儀器（TI）生產(chǎn)LM324的低壓版本LM324LV。Microchip制造了廣受歡迎的MCP6001及其多電路變體。

在設計成本不是首要考慮因素的吟游詩(shī)人時(shí)，例如像我的霍爾效應設備這樣的設計精良的手工工具。CMRR并不是行業(yè)中好的，但其他一切令人震驚。

跟蹤所有運算放大器

在過(guò)去的幾十年中，大多數設計的電源電壓已大大降低。首先，我們看到了最有名的微控制器系列，它們從5伏轉換到3.3V。最近，隨著(zhù)越來(lái)越多的設備采用纖薄的單節鋰電池，降低功耗變得越來(lái)越重要，我們見(jiàn)證了1.8V微控制器的興起。

期望LM324DT和其他類(lèi)似的運算放大器在未來(lái)幾年內會(huì )過(guò)時(shí)并失寵，這并非不合理。如果美國領(lǐng)先的制造商由于無(wú)利可圖而決定減產(chǎn)，類(lèi)似于2018年MLCC危機，那么不可靠的仿冒品可能會(huì )充斥市場(chǎng)并引發(fā)劇烈的價(jià)格波動(dòng)。

當時(shí)代到來(lái)時(shí)，更現代的低電壓和低功耗運算放大器將不可避免地取代我心愛(ài)的LM324DT。

供應鏈問(wèn)題可能使我有點(diǎn)過(guò)于戲劇化，但是作為工程師，估計并控制未來(lái)的不確定性是我們的工作。 與通用運算放大器一樣普遍存在的組件應在每個(gè)項目中進(jìn)行仔細跟蹤和明智地管理。