运放中的那些坑——第二篇

6、运放十坑之六——不可忽略的压摆率

 

做1pps驱动电路，要求上升沿≤5ns，FPGA输出的信号用运放跟随增强驱动后，发现上升沿达不到要求。为什么呢？因为没有考虑到一个重要的指标，压摆率。压摆率是指：输入为阶跃信号时，闭环放大器的输出电压时间变化率的平均值。即输入一个理想的阶跃信号，输出会是一个带斜率信号，这个信号的爬升速率就是压摆率。

看一下这个运放的压摆率：

根本达不到要求啊，5ns只能爬升20mV，所以，上升沿根本达不到设计需求。怎么办呢？后期飞线增加了一个脉冲增强电路。

脉冲增强电路C4和R4，相当于一个微分电路C4和RL（当C x RL远小于压摆率时间）加一个直流电阻R4，使得负载RL上的信号边沿变得更加陡峭。分析一下：

a.电容C4与RL形成分压电路，根据下图的计算公式，C4上电压的变化率等于RL上的电压值。

b.那么假设电容电压变化率在0-τ范围内是几乎不变化的，那么负载RL上面的电压也是几乎不变的，一旦电容开始充电（电压发生变化），负载RL的电压就上升到顶点。记为波形1，如下图。

c.然后在电容充电结束后开始下落，为了解决没有变化率就没有电压的问题，增加一个直流电阻R4维持波形，它是一个直通波形，也就是原始波形，记为波形2。

d.两个波形合在一起后，由于波形1，波形2的上升沿得到极大增强，从而使得合成波形上升沿得以改善。

 

7、运放十坑之七——电流反馈型运放的反馈电阻

 

为了扩大外部驱动能力，一般会在最后一级增加一个跟随电路，选择电流反馈运放-CFA增加运放的输出带宽。好简单哦，可惜你就是调不出来。还是先看图吧。好简单哦，可惜你就是调不出来。还是先看图吧。

什么电源轨、共模输入范围、增益积带宽、带载能力、压摆率。。。我全都考虑了啊，还是不对呢？

因为，CFA和VFA（电压反馈运放）不一样，读书时学的运放，基本上老师都是拿VFA进行举例和讲解。下图是CFA运放的模型：

它与VFA区别是，输入端不再是两个都虚断，反相输入电阻Z_{B是个非常小的值，但又绝对不能认为是零；它的开环增益Gout不再是非常大，而是约等于1；它的跨阻Z可以认为是无穷大。}

 

因此，CFA的跟随电路的电路模型如下：

解出Aβ等于：

它的闭环增益是：

当没有反馈电阻ZF的时候，A约等于1，ZF趋近于0，Aβ趋近于无穷，增益趋近于0，和想要的跟随电路完全不一样，也就是网上常说的“CFA不加反馈电阻就没信号”。（没找到这句话，忘记是在哪里看到的了，只能看下CFA手册上对反馈电阻的介绍）

因此，要增加一个反馈电阻，电路就会正常工作了。

PS：上面推导计算有技巧，只能从Aβ进行计算推导，因为CFA的计算前提是反相输入电阻Z_{B是个非常小的值；它的跨阻Z可以认为是无穷大，所以，要在求极限是找到一个单一变量，如果按照最终表达进行求极限，一个函数，三个变量（ZF趋近于0，ZB趋近于0，Z趋近于无穷），没法玩，如下图。}

8、运放十坑之八——失效的AD620

在我读大学的年代，仪用放大器绝对是一个高X格的词语，在那个还常见三运放搭差分运放的年代，仪放是超高共模抑制比、高温度稳定性的代名词，正相反相两个电压差一减，就得到了结果，这绝对是一个采集EEG信号（脑电波(Electroencephalogram,EEG)是一种使用电生理指标记录大脑活动得方法）的好东西啊。

 

由于EEG信号幅度很小，加上前级放大，也不过1V左右，因此，屡试不爽也没什么问题。后来要做一个工业现场信号检测，就不正常了。还是先看图吧：

 

采集4-20mA电流，得到1V-5V电压差，放大2倍后进入后级ADC。为了防止电阻功耗过高，R128，R129，R130三个电阻采用了并联取值的方式，最终取到了250Ω这个值。

 

分析一下，正相输入端2V-10V，符合器件输入范围（VCC-1.4V），反相输入端1V-5V，我加了负电，那更是符合了；然后看放大倍数2倍，Vmax=10V，也符合器件输出范围（VCC-1.4V）；电源、放大倍数、去耦等等都没有问题。这是一个显得没有任何错误的原理图，但是实际上，它会在高输入电压值时发生错误。

 

看下仪放的内部原理，就明白了（这里选一个手上有的资料，非AD620的内部原理，其实仪放原理都差不多）

正相输入电压和反相输入电压体现在仪放内部的R2处，而真正进行输出的电压，是由V1out和V2out体现的，换一句话说，最终增加的电压值平分为两份，一份由V1out提供，它会比V1高，另外一份由V2out提供，它会比V2低。

 

再看原理图，在20mA的时候，Vin+达到了10V，Vin-是5V，放大2倍，在仪放内部需要将Vin+放大到12.5V。这已经超过了仪放供电电压，因此，是绝对不可能正常工作的。

 

9、运放十坑之九——ADC的采样时间被运放拖累

ADC采集信号，信号稳定的时候，很准确；信号变化的时候，数据不稳定。当然了，ADC有采样时间，软件工程师也知道，他采了10次，只取后5次，但是数据还是有不稳定的状态。让硬件来看电路，硬件工程师说，电路当然没有问题了，全是从别人那里扣来的，怎么在我这就有问题了？

 

先看ADC的指标Tcycmin=500ns和Tacqmin=80ns，这是颗SAR型ADC，速度能上Mbps，还算挺快的。所以，它连续采样10次，所用时间也才10μs左右。

 

而运放从信号输入到输出，并不是一个无延时的过程，而是一个有延时还带震荡的过程，同时，这个过程的时间还会因为后级线路的PCB设计而增大。如下图：

看一下运放的指标，当4V时，达到0.01%，时间为5.1μs，此时带来的波动误差是0.4mV，而在4V范围内，一个16位ADC的1LSB为0.06mV。误差可以吃掉6,7个码字，如果再加上分布电容和走线电阻，这个时间会进一步增加，使得后级稳定时间增长，从而导致误差变得更加的大。

后来，软件工程师调低了采样率，增加了采集时间，问题得以解决。

 

10、运放十坑之十——被遗忘的功耗

做过一款板卡，功耗要求很严格，因此，设计完成后，就画了电源树，计算了每个器件的功耗，没有超，然后投版，调试，一上电，功耗超标。

 

后面一检查，发现是运放功耗计算的时候出现了问题，下图这样的运放电路用了5个。

由于是直流驱动，在计算的时候，只考虑了运放本身的静态功耗，PD=15V x 4.2mA =63mW，按照最大静态功耗来考虑，功耗余量还绰绰有余。

实际上，忽略了一个重要的功率消耗点：运放供电电压15V到输出电压（1V-4.5V）之间的电压差，全部在运放里面消耗了，按照最大压差计算，一个电路就消耗140mW。这种耗散功率，以前从来没有考虑过，所以，全部都选择性的忽略了，当遇到功耗要求紧张的需求时，问题就暴露出来了。

 

后面改版的时候，选择了低电压给运放供电，减少了耗散功耗，满足了指标要求。

 

 

 

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