2.1 运放直流参数介绍

在ADC前端电路中，传感器激励、信号放大、有源滤波等各个模拟量环节都与运放有关。

1.理想运放

在模拟电路教科书中，理想运放如图2-1所示。其中，VIN-为反相输入，VIN+为同相输入，VOUT为输出，电源VDD、VSS也常用VCC、VEE表示。

理想运放具有如下特点。

1）输入部分

（1）输入偏置电流IB=0。

（2）输入阻抗ZIN=∞。

（3）输入电压范围VIN没有限制。

（4）没有输入噪声电压与电流。

（5）输入失调电压VOS=0。

（6）共模抑制比CMRR=∞。

2）电源部分

（1）VDD与VSS永远满足需求。

（2）电源电流ISUPPLY=0。

（3）电源电压抑制比PSRR=∞。

3）放大部分

（1）开环增益AOL=∞。

（2）带宽BW=0～∞。

（3）谐波变形THD=0。

4）输出部分

（1）VOUT=VSS～VDD。

（2）转换速率SR=∞。

（3）输出阻抗ZO=0。

（4）输出电流IO满足负载需要。

实际上，由于半导体器件的工作原理、材料、工艺等因素的影响，所以没有理想运放。要想了解真正的运放，应该理解运放参数。不同公司生产的运放都有参数说明，但是，这些参数说明都有区别，因此需要理解运放参数的意义，并综合参数测试条件，才能看明白运放参数，用好运放。下面介绍运放的直流参数。

2.输入失调电压VOS

输入失调电压是运放输入电路不对称引起的，即在输入电压VIN+=VIN-的情况下，还等效存在一个小的电压源，使输出偏移零点。通常，该参数以室温下的电压值表示，通常为μV或mV数量级。

输入失调电压随温度变化而变化，称为输入失调电压温漂，单位为μV/℃或mV/℃。

例如，对于CMOS运放，MCP601的输入失调电压为2mV，输入失调电压温漂为2.5μV/℃。

每一个运放的输入失调电压都不同，但是对于一个运放来说是一个固定值。在闭环放大倍数很小时，输入失调电压对放大器的影响不大，但是对于闭环放大倍数很大的放大器来说，将减小动态输出范围。

例如，对于如图2-2所示的同相放大器，其输出电压表达式为

VOUT=(1+RF/R1)(VIN+VOS）

如果VOS为1mV，则VOS对于输出的影响为101mV，若是运放输出电压为4V，则VOS的影响为2.5%。

3.输入偏置电流IB

所有运放的输入端都吸收或流出电流，如图2-3所示。两个引脚输入电流中的相同（平均）部分称为输入偏置电流，为IB=(IB++IB-)/2，而不同部分称为输入失调电流：IOS=(IB+-IB-)。对于CMOS或FET输入结构的运放，输入电流来自输入保护（ESD）电路，其输入电流IB很小，一般在几皮安到几百皮安之间。双极性输入结构的运放，输入偏置电流来自晶体管的基极，一般在几纳安到几百纳安之间。

输入偏置电流通过输入端连接的外电阻起作用，例如，如果运放外引脚的电阻为100kΩ，输入偏置电流为100nA，则在外电阻上将有10mV的压降，该压降就像在输入端加一个误差电压源，误差电压源的电压被放大，引起输出误差。对于CMOS输入结构运放来说，若输入偏置电流为100pA，则100kΩ电阻上的压降只有10μV，在大部分情况下，可以忽略该压降。

图2-4是一个有源滤波器电路，在电路中，运放的同相端连接阻值很大的电阻，当采用双极型输入结构的运放时，若偏置电流为100nA，按照图中参数，将在输出端引起102.7mV的误差，但当采用CMOS输入结构的运放时，若偏置电流为100pA，则在运放输出端产生102.7μV的误差。

对于CMOS运放，输入失调电流与输入偏置电流的数量级相同。例如，对于TLV2472 运放，偏置电流为100pA，失调电流也为100pA。但是，对于双极型运放，偏置电流与失调电流相差很大，例如对于LM358，其偏置电流最大为500nA，而失调电流最大为50nA。

输入失调电流也是随温度的变化而变化的，对于CMOS运放来说，一般可以忽略。对于双极型运放，一般为几皮安至几十皮安的数量级，与偏置电流相比很小。例如LM358，失调电流最大为50nA，失调电流温度系数为10pA/℃。

4.开环增益AOL

运放的开环增益是输出电压信号与输入信号之差的比值。理想情况下的开环增益是无穷大。但实际上，由于开环增益是有限值，所以输出电压的变化ΔVOUT除以开环增益就是输入端的电压变化ΔV，如下式所示：

AOL(dB)=20lg(ΔVOUT/ΔV)

输入电压变化ΔV可以用等效在运放输入端的电压源表示，这相当于一个输入端的误差源VOLERROR。该误差源乘以闭环增益，就是输出误差。当开环放大倍数为无穷大时，该输入电压源电压为0，相当于输出误差为0。

AOL（dB）的范围一般在95～120dB之间，与电压放大倍数AOL(V/V)之间的关系如下式：

一般情况下，每个运放的开环增益都不相同，差别可以达到30%。

增益非线性是指输入信号不同时，放大倍数不是常数的现象，例如AD623的最大增益非线性为10ppm。一般运放手册没有该项参数。

5.共模电压抑制比CMRR

共模电压抑制比CMRR是放大器对共模输入信号的抑制能力，由于该能力不是无穷大，所以引起误差CMRRERROR。CMRR用下式表示：

CMRR(dB)=20lg(ΔVCM/ΔV)

ΔV是共模抑制等效的输入误差CMRRERROR，ΔVCM表示共模输入电压的变化。

一般情况下，共模抑制比的范围为45～90dB。例如，运放共模抑制比为80dB，当输入3V的共模电压时，等效共模输入误差CMRRERROR为0.3mV。

6.电源电压抑制比PSRR

电源电压抑制比PSRR表示运放对电源电压变化的灵敏度，典型的电源电压抑制比值为60～100dB，例如，MCP601的PSRR的典型值为88dB。

电源电压抑制比如下式：

PSRR(dB)=20lg(ΔVSUPPLY/ΔV)

ΔV是电源波动引起的输入电压误差，就是PSRRERROR，VSUPPLY为VDD-VSS。

例如，一个用电池供电的运放电路，其闭环放大倍数为101，该运放的电源电压抑制比为66dB，当电源电压从6.8V降到5.8V时，放大器的等效输入电压ΔV为0.5mV，引起输出电压变化为0.5mV×101=50.5mV。若参考电源为4.096V的10位ADC，则相当于12.6个最小有效数字（每个字为4mV）。

7.共模输入电压范围VCM

共模输入电压范围也是一个运放的重要参数。下面列出几个运放的共模输入电压范围。

AD623的共模输入电压范围为(-VSS)-0.15V～(+VSS)-1.5V。

LM358的共模输入电压范围为0～VCC-1.5V。

MCP601的共模输入电压范围为VSS-0.3V～VDD-1.2V。

TLV2472的共模输入电压范围为0～VDD。

其实，共模输入电压范围也就是输入电压。例如电压跟随器电路，电压在同相端输入，既是信号电压也是共模电压，还是输出电压，因此共模输入电压范围就是输出电压范围。

若放大器的闭环增益大于1，则运放的输入电压范围由输出电压范围确定。

在单电源使用时，AD623的共模输入电压范围可以低于0V，这在某些传感器信号放大中特别有用。例如在-200℃～+200℃范围内，J型热电偶输出电压为-7.890mV～+10.777mV，则可以使用AD623直接放大该热电偶的输出信号。

8.输出电压最大摆幅VOM

输出电压最大摆幅VOM与运放输出结构、电源电压、负载电流有关。一般的双极型输出结构如图2-5所示，可知输出电压最大摆幅的正值VOM+=+VDD-VR1-Vsat，VR1为串联电阻R1上的压降，Vsat为晶体管的饱和压降。VR1、Vsat与输出电流有关。

不同运放的输出电压VOUT的摆幅是不同的，通常运放的输出摆幅与正电源、负电源之间有1～2V的电位差，而满摆幅运放（rail-to-rail）的输出摆幅与正、负电源之间的电位差小于100mV。

运放的输出电压摆幅限制了输入信号范围。若需要增加摆幅，则应该增加电源电压，或在电源电压确定的情况下，选择满摆幅运放。

MCP601的VOM如下。

VSS+100mV～VDD-100mV，测试条件：RL=25kΩ连接VDD/2，AOL>105dB

VSS+100mV～VDD-100mV，测试条件：RL=5kΩ连接VDD/2，AOL>95dB

运放输出电压与正、负电源之间的电位差与输出电流有关，为获得明确的电压摆幅定义，应该仔细核对测试条件。

9.输入电阻

输入电阻是运放两个输入端之间的等效电阻，该电阻越大，表明对输入信号源的影响就越小。输入电阻分为差模输入电阻和共模输入电阻，通常它们的数值都很大。

例如，AD623的差模输入电阻和共模输入电阻都为2GΩ，因此实际上可以看成开路。

有些运放参数还给出引脚输入电容C，一般有几皮法，包括两个引脚之间的电容Cd、两个引脚对地的电容Cp和Cn。

有时，运放给出输入阻抗参数，包括输入电阻与电容，例如 MCP601的差模输入阻抗ZDIFF=1013Ω||3pF，共模输入阻抗ZCM=1013Ω||6pF。

10.输出电阻

运放的输出电阻总是比输入电阻小，因此可以起到隔离阻抗的作用，运放参数中一般不给出输出电阻参数。一般规律是闭环增益越大，则输出电阻越小。虽然没有输出电阻参数，但可以利用手册中给出的满摆幅输出电压中的负载条件确定运放的负载能力。

11.电源电压与电流

运放工作需要在VDD引脚与VSS引脚之间加电源电压，通常，运放数据手册上给出一个电源电压范围，例如AD620的电源电压为±2.3V～±18V。电源电流是在无负载情况下的运放电流。

12.温度范围

运放的温度参数一般是在某指定温度下的参数，如室温25℃。

运放的工作温度范围，是指运放可以基本保证性能且不损坏的温度。

13.直流误差总结

1）零点偏移误差

（1）输入失调电压VOS。

（2）输入偏置电流 IB引起的误差 VIBerror，等于输入偏置电流×运放输入引脚外的电阻。若两引脚外电阻相等，则IB引起的误差为0，但实际上，两电阻相等的情况几乎没有。

（3）输入失调电流IOS引起的误差VIOSerror，若是引脚外电阻阻值相等，该误差等于输入失调电流×运放输入端外电阻阻值。

总误差Verror=VOS+VIBerror+VIOSerror，该误差可以通过调零电路消除。

2）共模电压引起的误差VCMerror

VCMerror等于（共模输入电压×共模放大倍数）/（差模放大倍数）或等于（共模输入电压）/（共模抑制比）。该误差与共模输入信号有关。若共模输入信号为固定值，则该误差可以通过调零的方法消除。若共模信号就是输入信号，则不能通过调零的方法消除。

3）电源电压波动引起的误差VPSRR

VPSRR等于电源电压的变化量/电源电压抑制比PSRR。

该误差不能通过调零的方法消除，因此要求电源电压尽可能稳定。稳定电源电压的输出电压值不准确，虽也会引起输出电压的变化，但可用调零电位器消除该变化。

4）开环增益变化引起的输入误差

开环增益变化引起的输入误差可以影响闭环增益下的输出，但是可以用调节增益电阻值的方法消除。

5）温度变化引起的误差

温度变化引起的误差包括失调电压温漂和失调电流温漂，因为是随温度变化的，所以这两项误差不能通过调零的方法消除。因此应该选择小温度系数的运放。

6）增益非线性误差

增益非线性误差不能通过调零或调节增益电阻阻值的方法消除。