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电路设计中通用运算放大器


任何电路的成功都主要取决于您选择合适的组件来完成工作的能力。电子商务中的每个公司都在努力选择通用IC。许多工程师第一选择的晶体管,逻辑门或SMD LED。我知道高效率的反向安装蓝色LED给我的眼睛带来了幼稚的喜悦之泪,而我并不是其中的一个。建立一个 可以反复使用的大量组件库  可以降低生产成本,并简化将新产品投放市场所需的工程工作。
作为我们武器库中最灵活的模拟组件,选择正确的运算放大器尤为关键。正确的运算放大器可以在永无止境的质量和性能争夺与平稳,长达十年的生产之间发挥作用,而您几乎不必费劲。
诸如FPGA和计算机处理器之类的巨大硅片的定价主要取决于硅芯片的表面积(包括其对成品率的影响),诸如5nm之类的密集工艺工艺的稀缺性,知识产权,研究与开发。小型模拟和数字组件不会遵循相同的规则。我们可以认为是有效的通用选择的许多运算放大器已有20多年的历史,并且已售出数十亿件。长期以来,所有的研究和开发成本都已经收回,并且制造过程已经成功运行了数十年,同时在多个不同的经济领域内并行进行。
批量购买时,简单,通用且质量稳定的IC通常很贵,特别是当不是直接从工厂而是通过中间商购买时。大部分成本是由于裸模,测试,包装和运输所致。
单电路和多电路运算放大器的价格之间没有太大差异,因为大部分过程是相同的。
使用多电路运算放大器可以节省电路板空间,去耦电容器和组装成本。附加的运算放大器还可以用于提高性能和可靠性,例如,通过在精密的模拟子电路中增加输入和输出跟随器,使其性能与电源和负载的阻抗无关。
只要有可能,就应该将多个单独的运算放大器合并为一个IC。在开发阶段,保留一些未使用的运算放大器也可以为您提供帮助。
电源供应
运算放大器最关键的电源参数是其电源电压范围,功耗和PSRR(电源抑制比)。
与大多数模拟   IC 相似,运算放大器的功耗  通常以毫安(或微安)而不是毫瓦为单位。
您的电源要求将取决于您的产品是否由电池供电。在过去的十年中,我们已经拥有了新一代的低功耗和高精度运算放大器,但价格尚未下降到可以连续生产40多年的IC的水平。在现代CMOS设计中,典型的功耗是几微瓦,但是毫瓦BJT范围仍然是最实惠的。
对于通用运算放大器,超过100dB的PSRR无疑已成为“不必担心”的领域。
LM324DT具有100dB的PSRR,375uA的电源电流(是四个放大器的1.5mA的乘积),并且可在5V的电压下使用。数据手册规定了从3V开始的单电源供电,但在1.5V时基本上只有一半的输入电压可用,并且输出电流能力有限,因此几乎不值得考虑。
为了在3.3V下使用,我强烈建议使用轨到轨输入和输出(RRIO)CMOS运算放大器,例如Microchip的MCP6001。这款运算放大器是有史以来最畅销的IC之一,这主要是因为其成本低廉,而且价格低廉,但仍需要权衡取舍。与价格类似的BJT运算放大器相比,失调电压相当中等。如果PCB设计不当,则皮安输入电流可能会出现问题。在所有设计中实施保护痕迹可能会很烦人,并且低偏置电流会使您的电路板由于环境污染和制造工艺而导致性能变化。
实施  保护跟踪  并不总是像数据表所暗示的那么简单
近年来,许多PCB组装商已改用完全免清洗或水溶性助焊剂来减少环境污染。这种变化使我为我们的行业感到自豪,但是如果清洗不正确的水溶性助焊剂会留下吸湿性残留物。当这些残留物被环境湿度激活时,会引起漏电流的增加。在输入偏置电流的数量级至少为几纳安的数量级的设计中,这很少出现问题,但是在使用具有皮安级输入电流的CMOS运算放大器时必须格外小心。
输入项
我一直希望通用放大器提供低输入失调电压,对于大多数应用来说足够低的偏置电流,但又不会太低,以至于使我们的PCB设计与保护走线变得复杂。这些输入可以尽可能靠近电源轨和良好的CMRR(共模抑制比)。
如果运算放大器不能足够接近地面,我们就不能在没有求助于虚拟地面的情况下将其实际用作同相放大器单电源操作。与ADC的接口也变得越来越困难,尤其是当ADC嵌入微控制器时。
靠近上部供应导轨完全是另一回事。
轨到轨运算放大器在靠近上部电源轨时往往会权衡诸如输入偏置电流和共模抑制比(CMRR)之类的性能。它们中的一些采用集成的电荷泵电路来产生高于顶轨的内部电压,但是管芯中的硅电容器增加了成本和复杂性。业界花了很多年才能达到标准运算放大器和RRIO放大器之间可比的性能,而多年来,标准运算放大器已经变得越来越便宜。
最后,靠近上部电源导轨很有用,但在大多数应用中不是必需的。可以将大多数电路设计成在地和4V之间工作,而不是在地和5V之间工作。这些数字不会那么漂亮和全面,但是生活中最糟糕的悲剧。
输入失调电压应保持在5mV(0-5V范围的1/1000)以下,以便在最广泛的通用应用范围内使用。
低于100nA的偏置电流应足以满足大多数实际用途。使用100K输入电阻器,这相当于增加了10mV的失调。
LM324ST的偏置电流为20nA,相当于100Kohm偏置电压下的2mV,与3mV偏置电压的幅度相同(在环境温度下最差)。
输出量
我希望运算放大器在以5V供电时具有至少20mA的输出电流,以驱动简单的RC低频滤波器,并且对于缓冲输出很有用。
理想情况下,输出摆幅应尽可能靠近轨,但只有CMOS RRIO(轨至轨输入和输出)运算放大器才允许这样做。
与输入偏置电流和CMRR随着输入共模电压接近轨而变得最糟的情况类似,当接近V +时,CMOS放大器的输出级通常表现不佳。
许多模拟  电路  需要串联两个或多个运算放大器,因此在输入和输出上使用性能相似的IC通常会简化设计。
我最喜欢的运算放大器
选择运算放大器有时可能类似于婚姻。明智地选择,您会很快变得愤青和专横。但是,如果幸运的话,您会发现自己每天都对自己的选择感到更加感谢,最终回头微笑。
没有运算放大器适合所有应用。但是我可以在几乎所有产品中找到一个运放,然后为它找到位置,这就是LM324DT。
它也是主要品牌中为数不多的,能在深圳市场上找到的价格适中的组件之一,价格几乎下降到了0.03美元(相当于4个运算放大器!)。
LM324DT的严重缺点是使用5V或3.3V电源供电时性能有限。
幸运的是,有许多类似规格的低压运算放大器可供选择。德州仪器(TI)生产LM324的低压版本LM324LV。Microchip制造了广受欢迎的MCP6001及其多电路变体。
在设计成本不是首要考虑因素的吟游诗人时,例如像我的霍尔效应设备这样的设计精良的手工工具。CMRR并不是行业中好的,但其他一切令人震惊。
跟踪所有运算放大器
在过去的几十年中,大多数设计的电源电压已大大降低。首先,我们看到了最有名的微控制器系列,它们从5伏转换到3.3V。最近,随着越来越多的设备采用纤薄的单节锂电池,降低功耗变得越来越重要,我们见证了1.8V微控制器的兴起。
期望LM324DT和其他类似的运算放大器在未来几年内会过时并失宠,这并非不合理。如果美国领先的制造商由于无利可图而决定减产,类似于2018年MLCC危机,那么不可靠的仿冒品可能会充斥市场并引发剧烈的价格波动。
当时代到来时,更现代的低电压和低功耗运算放大器将不可避免地取代我心爱的LM324DT。
供应链问题可能使我有点过于戏剧化,但是作为工程师,估计并控制未来的不确定性是我们的工作。 与通用运算放大器一样普遍存在的组件应在每个项目中进行仔细跟踪和明智地管理。
2021-02-23
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