运算放大器常见问题解答

电子设计 2022-02-22 2009

描述

运算放大器常见问题解答

双电源供电的放大器能否用于单电源配置？

如何防止过压？

如何解释放大器的负载电流规格？

使用高阻抗源的噪声考虑因素是什么？

哪种电阻值可用于低噪声应用？

单电源使用时的输出摆幅

放大器的容性负载驱动

1.双电源供电的放大器能否用于单电源配置？

Q：我在PLL设计中使用+12/-5V电源运行此元件［AD8610］。现在我发现使用+12和0V也运行得很好（不管规格是什么）。我需要一些有关我这样使用此元件可能会遇到的问题。（规格为最小+5/-5V）

A：运算放大器没有接地端子。可以由对称或不对称双电源供电，也可由单电源供电。

就电源工作范围而言，+12/-5V的供电电压类似于+17/0V或+8.5/-8.5V。因此，+12/-5V供电在AD8610的工作电压范围内。AD8610是JFET输入运算放大器，这意味着它不是轨到轨输入。由于输出也不是轨到轨，因此请密切留意数据手册（www.analog.com/AD8610）“电气规格”部分中，表2（Vs=+/-13V）的输入和输出电压范围规格。

请记住，输入电压范围和输出电压范围的规格作为绝对电压列出，但对于+12/-5V的供电而言，需要类比+/-13V供电，保留电轨余量（2.25至2.5V）。

此外，参考电平从地电压移动到供电电压范围的中心。因此，对于+12V/-5V的供电电压，参考电平上升到+3.5V，而对称双电源（如+/-5V或+/-13V）为0V。

有关输入电压范围、单电源操作或轨到轨问题的更多详细信息，也请参阅www.analog.com/MT-035和www.analog.com/MT-041。

2.如何防止过压？

Q：对于如AD8646这样的运算放大器，如何防止过压？

A：通常，建议您在任何可能超过绝对最大额定值的输入端添加外部肖特基二极管和限流电阻。请注意，二极管需要安装在AD8646的附近。理想情况下，您的系统应设计为确保AD8646在施加任何模拟或数字信号之前能充分上电。下面概括了一些关于过压的一般注意事项。

任何其他半导体IC都有基本的ESD保护二极管，用来保护器件免遭搬运和生产过程中可能造成的ESD损害。如果输入随时可能超过电源，设计人员应提供外部保护电路。

这些ESD二极管可保护IC免受高达约1.5kV的ESD影响。这些ESD保护二极管的作用是将任何引脚上的电压箝位在与电源电压相差0.5V的范围内。（所以问题解决了，对吧？不完全是。）ESD保护二极管虽然能承载相当高的电流，但只能维持很短的时间，因此可以保护IC免受持续时间较短的大脉冲影响（总能量仍然相当低）。这些保护二极管能承受的最大直流电流为10mA。因此，除非您可以保证流入引脚的电流小于10mA，否则就需要某种外部保护。外部保护可以是在输入引脚上串联限流电阻这样的简单设计。例如，如果施加到引脚上的最大过压为5V，则在每条线路上串联一个500Ω电阻可将电流限制在10mA以下。此串联电阻设置得越高越好。

然而，IO线路中的高串联电阻可能导致其他问题，例如缄缓高速信号的上升和下降时间。防止更高的过压的同时又不想再增加串联电阻，该怎么做呢？可以在每个输入端和供电之间添加外部肖特基二极管来做到这一点。肖特基二极管会将施加的电压箝位在电源的~0.3V范围内，因此大部分电流将通过外部二极管（可承载更高的电流）分流，而不通过内部ESD保护二极管。其他保护技术包括使用火花隙、接地大电容、小扼流圈电感等。防止过压和ESD的最佳结构之一是一个小串联电阻，后面是连接到电源的肖特基二极管，再后面是另一个小串联电阻。

您可以看到，设计合适的保护电路并非轻而易举。您需要决定所需的保护程度、系统可承受的受损程度、所允许的电路板空间和元件成本，以及需要达到的测试水平。

有关过压保护的更多信息，请查看ADI公司网站上的应用笔记AN-202和AN-397。

3.如何解释放大器的负载电流规格？

Q：我的问题是关于放大器的负载电流。

这个值的确切含义是什么？在数据手册中，有时给出的是+-10mA，有时仅为10mA。

此负载电流是指放大器可以提供的最大输出电流吗？比如说，我的放大器在输出端为+-4Vp。如果数据手册中给出+-10mA负载电流，我是否仅可以在4V/10mA = 400 Ω的最小负载时使用？我说的对吗？

A：放大器通常具有短路保护，可限制流出输出端的电流。通常在短路情况下会这样操作，以防止损坏放大器。但是，这并非是严格控制的参数，且未经生产测试。它随温度变化而变化，有时也因低电压供电轨而异，放大器甚至可能由于低供电电压的内部限制，而无法提供这种电流电平。不管规格中是否有+/-，都是一样的。但是，这并不意味着两个极性的实际限值会一样。没有一个输出级是完全对称的，但是由于它不是一个精确的数字，因此没有那么重要。

您指出放大器的最小负载将根据您的计算给出，这点是正确的，但仅应将其作为指导。对最小负载保持合理的裕量是良好的做法（出于上述所有原因）。此外，不要忘记，如果您使用的是带反馈的运算放大器（如同相放大器），则反馈电阻也是负载的一部分。还要谨记，在更重的负载时，放大器将产生更大的功耗，从而提高芯片温度。在您举的例子中，4V输出端为10mA是指，如果您使用15V为放大器供电，则放大器额外消耗11V*10mA = 110mW，这会使温度（如果是SOIC）上升约15℃。这不是大问题，但会限制放大器的工作温度范围，并且也可能增加与输入有关的偏置。然而，有些放大器可能具有更大的电流驱动能力，因此，如果加载至限值，功耗会大得多。

4.使用高阻抗源的噪声考虑因素是什么？

Q：使用具有高阻抗源的ADA4661-2/ADA4666-2时的噪声考虑因素是什么？

A：ADA4661-2/ADA4666-2在10KHz时具有14nV/√Hz的低电压噪声密度。在放大器输入端放置一个热噪声为12.6nV/√Hz的10KΩ电阻，会使折合到输入端的总噪声增加到18.9nV/rtHz。使用较低的源电阻时，放大器电压噪声将占主导地位。电阻热噪声随着源电阻的提高而增加。当源电阻进一步提高时（》1MΩ），电流噪声占总噪声的大部分。

5.哪种电阻值可用于低噪声应用？

Q：放大器ADA4528-x周围应使用哪些电阻值？

A：ADA4528-x具有5.6nV/√Hz的低电压噪声密度。在放大器输入端放置一个热噪声为4nV/√Hz的1KΩ电阻，会使折合到输入端的总噪声增加到6.9nV/√Hz。请务必在低噪声放大器周围使用低值电阻。使用低源电阻，放大器电压噪声将占主导地位。电阻热噪声随着源电阻的提高而增加。当源电阻进一步提高时（》100KΩ），放大器电流噪声成为总输入噪声的主要因素。

Q：放大器ADA4500周围应使用哪些电阻值？

A：ADA4500具有14.5 nV/√Hz的低电压噪声密度。在放大器输入端放置一个热噪声为4 nV/√Hz的1KΩ电阻，会使折合到输入端的总噪声增加到15 nV/√Hz。在输入端放置4kΩ电阻会将总噪声增加到21.6 nV//√Hz。请务必在低噪声放大器周围使用低值电阻。

6.单电源使用时的输出摆幅

Q：如果在AD817运算放大器上使用+5V和0V的供电轨，输出摆幅是否会下降到0V。

A：供电轨的输出余量要求是距离供电轨最大电压为1.8 V - 因此使用0V作为VE电轨可能仅允许您摆动到1.8 V。摆幅要下降到零，需要+/-5 V双电源。

7.放大器的容性负载驱动

Q：规格表指出，ADA4807-2的容性负载驱动为15pF。ADA4807-2能否驱动更大的电容负载？这种大的容性负载是否会使放大器不稳定？

A：是的，ADA4807-2能驱动更大的电容负载。容性负载会对放大器的传输函数增加一个额外极点，这在很多情况下可能会影响稳定性。在这种情况下保持稳定性的常见方法是在放大器输出和容性负载之间添加一个串联电阻。对于很大的电容，只需要一个小电阻。例如，如果使用10uF电容，该电容太大，以至于电容的组合PCB走线电阻和ESR会提供足够的串联电阻来保持放大器的稳定。数据手册的“应用”部分讨论了这种配置。

本文转自：技术干货第一弹丨运算放大器常见问题解答

审核编辑：何安

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