运放设计经验谈：运放十坑（上）

1.运放十坑之轨到轨

运放输出电压到不了电源轨的这种明坑踩了后，我选择了轨到轨的运放，哈哈，这样运放终于可以输出到电源轨了。高兴的背后是一个隐蔽大坑等着我：

看看我常用的某公司对轨到轨运放产品的介绍：“高速(>50MHz)轨到轨运算放大器支持以更低的电源电压、更接近供电轨的摆幅和更宽的动态范围工作。”看到没有：

“以更低的电源电压、更接近供电轨的摆幅和更宽的动态范围工作。”

“更接近供电轨的摆幅”

“更接近”

“接近”

看一个轨到轨运放的手册：

输出电压的确是到不了电源的5V，why？

运放的输出级可以简化为下面这种的结构形式：

由于MOS管有导通电阻，当流过电流时，导致了电压降，因此，当负载越大时，导通压降越大，输出电压越不能达到轨。

所以说，轨到轨运放不是完全的可以使输出到达电源值，要使用的时候，还需要看负载和温度（影响导通电阻阻值）的关系来决定输出能达到多大电压。

2. 运放十坑之不可忽略的输入偏置电流

设计了一个分压电路，理论上输入1V，输出2V，可是一测，总是多了近6,7百个mV。这要是进12位3V量程ADC，可是要吃掉600多个码。点解？

原来运放正向输入端和反向输入端由于TVS漏电流和管子输入偏置电流，导致了两个输入端存在输入偏置电流（而且由于没有任何一个器件和另外一个器件一模一样，这两者输入偏置电流还不尽相同）；这两个偏置电流会与外部电阻一起形成偏置电压后，输出到后端，形成误差。如果你不巧选择了一个基于BJT设计的运放，它具有较大的输入偏置电流，就会造成很大的后级误差。如下图这种运放，真是“岂止于大，简直是莽”。

下面假设，两个输入端的输入偏置电流相同。

对于，正向输入端来说，Ib+带来偏置电压几乎等于0，而对于反向输入端来说，Ib-带来的偏置电压等于350mV（计算时，假设Vout接地，相当于R1//R2）。因此，需要的是在正向输入端增加一个电阻，来补偿反向输入端带来的误差。

正如前文所述，正反相输入偏置电流不尽相同，补偿只能减小失调电压，而正反相输入偏置电流差也称为失调电流。在进行高精度或小信号采样时，可以选用低失调电流运放，因为加入补偿电阻，也代入了一个新的噪声源，要慎重加入。

偏置电流是运放的主要误差之一，在之后的坑中，还会介绍一些影响后级的误差源。

3.运放十坑之快速下降的PSRR

当我是个菜鸟工程师的时候，做运放设计从来不考虑PSRR，当听说过PSRR之后，每次选运放都会在成本控制基础上选择一个有较高PSRR的运放。

比如这款运放PSRR达到了160dB：

根据计算公式：

即使电源电压在4.5V-5.5V区间内发生变化，电源对运放输出的影响只有10nV。

很可惜，这个指标是指电源电压的直流变化，而不包括电源电压交流的变化（如纹波），在交流情况下，这个指标会发生非常大的恶化。Spec.里面提到的只是直流变化，交流变化在后面图示里面，一般情况下，非资深工程师对待图示都是滑滑地翻过去。

如果运放电路使用了开关电源，又没有把去耦、滤波做得很好的话，后级输入精度会受到极大的影响。来看，同一款运放的交流PSRR。

对于500kHz开关频率的纹波，PSRR+恶化到只有50dB，假设纹波大小为100mV，那么对于后级的影响恶化会达到0.3mV。对于很多小信号采集的应用来说，这个误差是不可接受的。因此，有些应用场景甚至会在运放电源入口做一个低通滤波（请注意电阻功耗和电阻热噪声）。

4.运放十坑之乱加的补偿电容

以前有个“老工程师”对我说，反馈电路加个电容，电路就不会震荡。一看到“震荡”这么高大上的词语，我当场就懵逼了，以后所有的电路都并一个小电容，这样才professional。

直到一天，我要放大一个100kHz（运气很好，频率还没有太高，不然电压反馈运放都没法玩）的信号，也是按照经验并上一个电容，然后，信号再也没有正常。因为，并上了这个电容反馈阻抗对于100kHz的信号变成了只有不到200Ω，导致放大系数变化。

然而，这还不是关键，问题在于：真的需要一个补偿电容吗？

首先，运放内部存在一个极点（把它想成就是RC低通造成的），它会造成相位的改变，最大到-90°：

如果再增加一个极点呢，它又会再次对相位进行改变，最大还可以增加到90°：

这样相位就到了-180°，这有什么问题呢？那就是“震荡”。看一下电压负反馈运放的增益：

当某些频率点上的环路增益Aβ等于1，而相位为-180°的时候，这时，Vout/Vin会变成无穷大，电路就不稳定了。因此，当外部增加一个零点时，运放就会在某些频率点进入震荡，比如引脚上的分布电容，如下图：

这时，我们并上一个电容，相当于人为引入一个零点，把拉下去的相位，拉上来，但是，这个分布电容一般很小，使得它环路增益Aβ等于1的位置非常远，在这么远的频点上，运放早就不能正常工作了。而看手册这个运放自身在100k的时候，相位余量相当的高，超过了90°，完全不需要增加额外的补偿电容。

因此，对于具体情况，要具体分析，不能被“老工程师”带着跑了。

5.运放十坑之被冤枉的共模输入范围

以前遇到过一个问题，前级运放放大后，再由运放跟随进ADC，进ADC的信号是0.3V-1.5V。感觉是个很简单的电路，但是后面实测这颗工作电压为单电源5V的运放，有部分板卡在输出1.5V左右的时候，它的输出值并没有完全跟随到输入值，而低于比1.5V的信号，跟随都没问题，但是一旦接近就不对。

当然，这个问题就上了硬件组的会议，最后讨论的结果是：“这个运放有问题，我们要找厂商嚎盘，但是我们是xx企业，别个又不得理我们，这样吧，我们换一个其它公司的运放”。不幸的是，我们冤枉了一颗运放，并且没有找到问题原因，幸运的是，在没有完全弄清原理的前提下，我们碰巧选到了一颗可以正常工作的运放。

来看下这款运放的一个指标，运放共模输入范围：

运放共模输入范围是运放输入电压的一个区间，它表征的是运放能够线性工作的区间，即输入电压共模值在这个区间内，当输入电压发生变化时，输出电压能够线性的发生变化。

对于跟随电路，由于存在负反馈，基本上可认为正相输入端电压和负相输入端电压是同一个值，而这颗运放在5V供电时，它的共模输入范围是-0.1V至1.5V。因此，当输入电压在1.5V左右的时候，运放就存在不能正常线性跟随的情况。

为什么不能跟随呢？来看一个三极管放大电路，它也是运放的组成部分之一，来进行举例说明。

当输入的Vb发生变化时，Ie就会随着Vb发生相应的变化，从而引起Vc的变化，这就是跟随。若Vb继续增大到，使得Vc=Vcc-Ie x Rc计算值为负数的时候，而实际上Ie x Rc并不能超过Vcc，这时放大电路达到饱和甚至电流反相，导致输出电压固定或削峰或反向等。

接下文→运放设计经验谈：运放十坑（下）