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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)中通用運(yùn)算放大器
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，邏輯門或SMD LED。我知道高效率的反向安裝藍(lán)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(fù)使用的大量組件庫(kù) 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(kù)中最靈活的模擬組件，選擇正確的運(yùn)算放大器尤為關(guān)鍵。正確的運(yùn)算放大器可以在永無(wú)止境的質(zhì)量和性能爭(zhēng)奪與平穩(wěn)，長(zhǎng)達(dá)十年的生產(chǎn)之間發(fā)揮作用，而您幾乎不必費(fèi)勁。
諸如FPGA和計(jì)算機(jī)處理器之類的巨大硅片的定價(jià)主要取決于硅芯片的表面積（包括其對(duì)成品率的影響），諸如5nm之類的密集工藝工藝的稀缺性，知識(shí)產(chǎn)權(quán)，研究與開(kāi)發(fā)。小型模擬和數(shù)字組件不會(huì)遵循相同的規(guī)則。我們可以認(rèn)為是有效的通用選擇的許多運(yùn)算放大器已有20多年的歷史，并且已售出數(shù)十億件。長(zhǎng)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(yùn)行了數(shù)十年，同時(shí)在多個(gè)不同的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域內(nèi)并行進(jìn)行。
批量購(gòu)買時(shí)，簡(jiǎn)單，通用且質(zhì)量穩(wěn)定的IC通常很貴，特別是當(dāng)不是直接從工廠而是通過(guò)中間商購(gòu)買時(shí)。大部分成本是由于裸模，測(cè)試，包裝和運(yùn)輸所致。
單電路和多電路運(yùn)算放大器的價(jià)格之間沒(méi)有太大差異，因?yàn)榇蟛糠诌^(guò)程是相同的。
使用多電路運(yùn)算放大器可以節(jié)省電路板空間，去耦電容器和組裝成本。附加的運(yùn)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(fù)載的阻抗無(wú)關(guān)。
只要有可能，就應(yīng)該將多個(gè)單獨(dú)的運(yùn)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(yùn)算放大器也可以為您提供幫助。
電源供應(yīng)
運(yùn)算放大器最關(guān)鍵的電源參數(shù)是其電源電壓范圍，功耗和PSRR（電源抑制比）。
與大多數(shù)模擬 IC 相似，運(yùn)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(yùn)算放大器，但價(jià)格尚未下降到可以連續(xù)生產(chǎn)40多年的IC的水平。在現(xiàn)代CMOS設(shè)計(jì)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(duì)于通用運(yùn)算放大器，超過(guò)100dB的PSRR無(wú)疑已成為“不必?fù)?dān)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(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)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(qiáng)烈建議使用軌到軌輸入和輸出（RRIO）CMOS運(yùn)算放大器，例如Microchip的MCP6001。這款運(yùn)算放大器是有史以來(lái)最暢銷的IC之一，這主要是因?yàn)槠涑杀镜土覂r(jià)格低廉，但仍需要權(quán)衡取舍。與價(jià)格類似的BJT運(yùn)算放大器相比，失調(diào)電壓相當(dāng)中等。如果PCB設(shè)計(jì)不當(dāng)，則皮安輸入電流可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在所有設(shè)計(jì)中實(shí)施保護(hù)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(dǎo)致性能變化。
實(shí)施 保護(hù)跟蹤 并不總是像數(shù)據(jù)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(dāng)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(shù)量級(jí)至少為幾納安的數(shù)量級(jí)的設(shè)計(jì)中，這很少出現(xiàn)問(wèn)題，但是在使用具有皮安級(jí)輸入電流的CMOS運(yùn)算放大器時(shí)必須格外小心。
輸入項(xiàng)
我一直希望通用放大器提供低輸入失調(diào)電壓，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)與保護(hù)走線變得復(fù)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(yùn)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(dāng)ADC嵌入微控制器時(shí)。
靠近上部供應(yīng)導(dǎo)軌完全是另一回事。
軌到軌運(yùn)算放大器在靠近上部電源軌時(shí)往往會(huì)權(quán)衡諸如輸入偏置電流和共模抑制比（CMRR）之類的性能。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(nèi)部電壓，但是管芯中的硅電容器增加了成本和復(fù)雜性。業(yè)界花了很多年才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器和RRIO放大器之間可比的性能，而多年來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器已經(jīng)變得越來(lái)越便宜。
最后，靠近上部電源導(dǎo)軌很有用，但在大多數(shù)應(yīng)用中不是必需的。可以將大多數(shù)電路設(shè)計(jì)成在地和4V之間工作，而不是在地和5V之間工作。這些數(shù)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(diào)電壓應(yīng)保持在5mV（0-5V范圍的1/1000）以下，以便在最廣泛的通用應(yīng)用范圍內(nèi)使用。
低于100nA的偏置電流應(yīng)足以滿足大多數(shù)實(shí)際用途。使用100K輸入電阻器，這相當(dāng)于增加了10mV的失調(diào)。
LM324ST的偏置電流為20nA，相當(dāng)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(yùn)算放大器在以5V供電時(shí)具有至少20mA的輸出電流，以驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的RC低頻濾波器，并且對(duì)于緩沖輸出很有用。
理想情況下，輸出擺幅應(yīng)盡可能靠近軌，但只有CMOS RRIO（軌至軌輸入和輸出）運(yùn)算放大器才允許這樣做。
與輸入偏置電流和CMRR隨著輸入共模電壓接近軌而變得最糟的情況類似，當(dāng)接近V +時(shí)，CMOS放大器的輸出級(jí)通常表現(xiàn)不佳。
許多模擬 電路 需要串聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)運(yùn)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(shè)計(jì)。
我最喜歡的運(yùn)算放大器
選擇運(yùn)算放大器有時(shí)可能類似于婚姻。明智地選擇，您會(huì)很快變得憤青和專橫。但是，如果幸運(yùn)的話，您會(huì)發(fā)現(xiàn)自己每天都對(duì)自己的選擇感到更加感謝，最終回頭微笑。
沒(méi)有運(yùn)算放大器適合所有應(yīng)用。但是我可以在幾乎所有產(chǎn)品中找到一個(gè)運(yùn)放，然后為它找到位置，這就是LM324DT。
它也是主要品牌中為數(shù)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(dāng)于4個(gè)運(yùn)算放大器！）。
LM324DT的嚴(yán)重缺點(diǎn)是使用5V或3.3V電源供電時(shí)性能有限。
幸運(yùn)的是，有許多類似規(guī)格的低壓運(yùn)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(shè)計(jì)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(yīng)設(shè)備這樣的設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器
在過(guò)去的幾十年中，大多數(shù)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換到3.3V。最近，隨著越來(lái)越多的設(shè)備采用纖薄的單節(jié)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和其他類似的運(yùn)算放大器在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)過(guò)時(shí)并失寵，這并非不合理。如果美國(guó)領(lǐng)先的制造商由于無(wú)利可圖而決定減產(chǎn)，類似于2018年MLCC危機(jī)，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(dāng)時(shí)代到來(lái)時(shí)，更現(xiàn)代的低電壓和低功耗運(yùn)算放大器將不可避免地取代我心愛(ài)的LM324DT。
供應(yīng)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(jì)并控制未來(lái)的不確定性是我們的工作。 與通用運(yùn)算放大器一樣普遍存在的組件應(yīng)在每個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行仔細(xì)跟蹤和明智地管理。