运放比较器应用

运放比较器基础培训物料品质部IC组朱吉新运放基础知识一、运放基本结构二、运放主要参数三、运放的分类四、运放的选用指导五、CFA及案例介绍六、业界发展趋势及我司供应商注：由于比较器同运放很类似，本课程以运放为主，比较器主要侧重应用。一、运放基本结构运算放大器是一个高放大倍数的直流耦合放大器。三个部分1、高阻抗的差分输入级2、高放大倍数的中间级3、低阻抗输出级运放基本结构：高阻抗的差分输入级不同运放主要表现在输入级，对运放技术要求也主要表现在输入级。输入级的差分对称性，决定了运放的很多参数：输入失调，输入偏置，输入共模电压和共模抑制能力，输入阻抗等参数。运放基本结构：高放大倍数的中间级主要是基本的偏置设置，相位补偿，高的放大倍数运放基本结构：低阻抗输出级输出级主要提供一定的输出功率，输出保护等。输出级一般采用对管的形式，内部串入保护电阻，LM358，TL082内部还有过流保护使输出电压降低，OP07采用电阻限流的方法。二、运放的主要参数运放的参数很多（26项），有但实际应用中，主要关心下面几个参数A、失调电压B、失调电流和偏置电流C、最大共模输入电压D、增益带宽和转换速率(SR)E、电源纹波抑制比运放的主要参数A：失调电压失调电压是指使输出电压为零时，两输入端间所加的直流补偿电压。实际应用中表现输入为零时输出电压的大小，一般通过间接计算和测量。下图中Vin=0时，Vo=Vio(R+Rf)/RVio=Vo.R/(R+Rf)R10KVDDR10K+-U1A32184RF100KVSSRF100KVoutVin运放的主要参数B：失调和偏置电流偏置电流：使输出电压为零（或规定值）时，流入两输入端的电流的平均值。失调电流：使输出电压为零（或规定值）时，流入两输入端的电流之差。通用运放的失调电流在nA级，JFET运放为pA级。在一些实际应用中，可采用降低外围电阻的方法减少偏置的影响R10KVDDR10K+-U1A32184RF100KVSSRF100KVoutVin运放的主要参数C：最大共模输入电压比规定的共模抑制比下降6dB时的共模输入电压。主要表现输出最高时对应的输入电压。一般通用运放最大共模电压为Vcc-1.5V。Vin++VccMC33202MC33202LM358TL082-VEETL082-LM358单位增益带宽fBWG：开环增益为1(0dB)时对应的频率运放的主要参数D：增益带宽和SR运放的主要参数D：增益带宽和SR输出转换速率SR：输入端在施加规定的大信号阶跃脉冲电压时，输出电压随时间的最大变化率。对于做小信号比较器应用时，当压差同失调在同一个数量级内时，转换速率很低，一个转换时间可能到达10mS以上。单位增益带宽主要是小信号指标，输出转换速率主要是大信号指标。此两个参数都是衡量器件速度的指标。VoutSRmax10mV5mVVin运放的主要参数E：电源纹波抑制比TL082,LM358,OP07,Vcc(纹波)比较图。VccOP07LM358TL082运放的主要参数前面讲了运放的主要参数，下面我们从一个实际的资料看运放的参数。有些参数厂家没有给出具体的数据，只给一些特性曲线。三、运放的分类分类1：运放根据供电电压特点可分为双电源运放单电源运放分类2、应用场合和部分参数特点可分为：1、通用运放2、精密运放5、R2R运放3、仪表运放4、高速运放运放的分类1：单电源和双电源运放由于运放内部主要是采用电流源方式，在正常工作区间，其Icc随电源电压变化很小。双电源运放就是需要正负电源供电，如＋－15V供电,单电源供电就是可直接用单电源供电，如15V供电。IopIDVccIccVminVmaxVtypeVDIstar运放的分类1：单电源和双电源运放单电源运放也可正负电压供电双电源可工作在不对称电源方式下，如+15,-5V.但不对称条件下，失调可能有一些小的变化。运放的分类2：通用/精密/R2R/仪表/高速通用运放:主要指一些标准的运放，很常用的运放，如LM358,OP07等，他们具有标准的管脚兼容结构，在有些情况下，不同厂家的型号可直接替换使用。精密运放：主要是指失调电压和失调电流比较小的运放，如OP07。但其没有严格的界限。运放的分类2：通用/精密/R2R/仪表/高速R2R运放：R2R运放是低功耗低电压下发展起来的运放，其主要是共模电压同Vcc/Vee相同或很接近Vcc/Vee,输出最大幅度也很接近Vcc/Vee.在相同的Vcc条件下，能提供较宽输入输出范围。TL082,LM358,MC33202输入输出特性比较Vin++VccMC33202MC33202LM358TL082-VEETL082-LM358运放的分类2：通用/精密/R2R/仪表/高速仪表运放：仪表运放主要针对仪表类的信号采样放大而开发的运放，其一般采用两运放或三运放结构。此运放具有较高共模抑制比，其两端都可工作在高共模状态下。高速运放：主要是其带宽和转换速率SR高。适合高速信号放大处理。选型：我司的运放编码很多，但主要用的还是358系列运放，这主要是由我司的产品特点决定的。一般的应用新设计推荐LM2904(MSO8)，LM224A。LM2904（SO8)，LM358A可继续使用。高精度的OP07可继续使用,也可考虑双路的OP2177，高精度运放。速度稍高的可用MC33172,TL082(B),TL084(B)。具体的选型可附件。四、运放的选用指导四、运放的选用指导(运放规划方向）四、运放的选用指导(比较器规划方向）四、运放的选用指导应用：运放的应用相对比较简单，但应用中需要注意一些技巧。1）小信号处理2）比较应用3)闭环应用4）端口保护5）器件放置规则运放的应用指导1:小信号处理运放的选取原则:信号最大幅度与失调的可比性。例如检测信号最大为75mV，选LM358，最大失调电压7mV，误差可达到10%。如果选LM358A，失调最大3mV，最大误差为4%，对于一般要求，LM358A的性价比较好。对精度要求很高的可选择OP07。VOUTVDDR10K0.01VSS+-U1A32184R2K10ARF50K运放的应用指导1:小信号处理比例电阻的选择：偏置电流在比例臂上形成偏置电压，导致输入端形成偏置误差。Vib=Iib*R=100K*50nA=5mV.(100K电阻，LM358运放）一般可选择10K~100K之间的电阻。R10KVDDR10K+-U1A32184RF100KVSSRF100KVoutVin运放的应用指导1:小信号处理补偿电阻的选择：加偏置电阻可抵消偏置电流的影响。补偿电阻大小和比例电阻的等效阻抗相同。但实际应用可根据运放特性和需求，可适当的选择,也可直接接地。R10KVDDR10K+-U1A32184RF100KVSSRF100KVoutVin运放的应用指导1:小信号处理正向放大设计：正向放大后，信号被放大，相序不变，输入阻抗高。反相放大设计：信号放大，相序倒相（180度），输入阻抗低。注意一般运放的输出不要对地直接并接电容，否则容易引起输出振荡。+-U1A32184R2R1R4R2+-U1A32184R4R3R1运放的应用指导1:小信号处理差分衰减和差分放大直流偏置：20KUAUB10M+-10MVAB20K300KUAUB5K+-5KVAB300K20KVIN3.3V20K+-20KVBA20K运放的应用指导1:小信号处理交流整流检测（1）+-U1B56784+-U1A3218410KVOUTA-12VIN414810K10K10K10K+12VIN4148VINA5.1KVx1Vx2VoVX1=VX2=-2/3VINA运放的应用指导1:小信号处理交流整流检测（2）+-U1A32184VOUTBVINB20K+-U1B5678410KD2IN41485.1KD1IN4148-12V10K10K+12V20K5.1K运放的应用指导1:小信号处理信号隔离传输从实际测试看，前面的稳定性优于后面一种10KVCC2VOUT+-Vout-48V+-50K200KOPTCTR=0.36~0.72％50K1K+-Vout-48V50K1MOPTCTR=0.36~0.72％+-运放的应用指导1:小信号处理仪表运放的应用注意当输入信号浮空时，需要在输入端并联适当的平衡电阻，降低输入端的共模电压。运放的应用指导1:小信号处理信号的软件校正软件校正技术的引入能大大降低对运放失调电压，失调电流，外围电阻等参数的依耐，同时降低设计成本。VO=G*(Vi+Voffset)=G*Vi+K一般选取零点和额定点作为校正点。ViVo运放的应用指导1:小信号处理电阻匹配问题当运放的输出信号进入DSPADC采样时，需要加匹配电阻降低ADC采样保持器对运放输出的影响。需要根据具体的DSP情况确定匹配电阻。20K1000pF+-VIN3VINDSPVIN11K~10KVIN220K10K运放的应用指导2:比较应用1、只适合低速应用。运放延时大，速率SR低，只适合低速应用2、需要设置回滞特性。3、并联需要二极管隔离。4、注意输出结构同比较器有差别VCC+-U1ALM393321+-U1BLM393567+-U1ALM358321+-U1BLM358567运放的应用指导2:比较应用实例分析1：过温保护。采用电阻桥特性比较，省去比较基准。比较应用中，对于低速应用，一般都要求加一定的回滞特性（正反馈），使保护信号稳定，不至于出现来回抖动。Rt51K47K/2KRt+-U1ALM35832184T20K+XcXX20k51K保护温度VoutVccC1恢复温度运放的应用指导2:比较应用实例分析2：关闭PWM。用于控制UC3843的Comp,容易出现不能锁定输出的情况VccUC3843VoutRComp+-U1ALM35832184Vref2~5mA0.7V1.4V运放的应用指导2:比较应用实例分析3：电源时序问题。副边电源滞后原边，当副边电源工作在3V以下时，运放的输出状态不定，可能导致误动作。+-U1A32184Vcc5V2VR=1KVCCVcc5V2VVCC+-U1A32184R=1KR=1K运放的应用指导3:环路应用采用PID控制，其电路基本相同，主要考虑调整外围参数。VoutC1R3R4ISO1VrefR2R5VddR6+-U1A32184R1C2运放的应用指导4:端口保护在不同的单板，不同的电压之间要有限流（R+D)保护。VCC_1VCC_2Vss1Vss2端口输入端口输出不同电源之间的连接+-32184+-32184运放的应用指导5:器件放置规则1、旁路电容尽量靠近VCC,GND，减小等效阻抗。2、减少外围器件，输出的环路面积。3、远离开关点，远离电感和变压器，必要时需要用地线屏蔽分隔。4、减小公共阻抗，注意模拟低和功率地分布。5、对于小信号，大电流信号的采样放大，注意大面积覆铜。6、尽量避免大面积器件直接接触运放的输入端口。运放的应用指导5:器件放置规则+-+-+-+-+-+-+-+-+-U1ALM35832184Q1T11548五、CFA及案例介绍运放的技术和应用很成熟，并且其主要处理一些低功率的信号，其在应用中失效率相对小。几种失效模式：输入端口过压击穿此情况主要是输入端口的过电压浪涌导致端口失效Vcc-GND过压击穿主要是Vcc过电压，导致内部Vcc部位的击穿短路过流保护不能满足要求运放作比较器或电流环应用时，电流限制点不稳定或一致性比较差等，此主要是失调电压或偏置电流影响导致。抗干扰能力应用中反馈有些厂家的运放抗干扰能力差的，此可能同布线有关。五、CFA及案例介绍输入端口过压击穿此失效是BMP电源多次重复，多个产品出现的。五、CFA及案例介绍此明显的是PIN5端口过电压应力。测试工装引入的过电应力。五、CFA及案例介绍Vcc过压烧毁表现VCC-GND短路，或工作电流过大。五、CFA及案例介绍异常翻转输入负压导致输出异常翻转输出负压导致输出异常翻转六、业界发展趋势和我司供应商；由于运放的结构比较标准，新的运放主要以低功耗，小封装方向发展。由于OP07系列，LM358，TL08X系