关于运放,前面聊了两篇:
我在输出文章的过程,也是重新学习的过程。如果同学们对文章内容有任何疑问,欢迎探讨交流。话不多说,我们继续今天关于运放的探讨。
一道面试题
照例先抛出来一道问题。如上图,对比两组电路,回复如下问题:
①两组电路,共同点是什么?
②两组电路,区别点在哪里?该差异点,叫什么?有什么作用?
③该差异点的取值是否有讲究,请阐述原理。
上述一组问题,有送分部分,也有拔高部分,既可以作为笔试题,也可以用作面试题,非常考验答题者的模电基本功。如果屏幕前的你,能轻松回答,说明你至少是高级以上工程师了。
比例运放电路
针对第一个小问题——共同的特点,我觉得学过模电的同学都能看出来:反相比例放大电路。结合上篇文章中提到的“虚短”和“虚断”,很容易可以推导出:Vo=(-Rf/R1)Vin。具体如何推导,不做展开,自行脑补。
平衡电阻
如果说第一题是开胃菜,我们接着往下:区别点在哪里?对比发现,在运放的同相输入端多了一个电阻Rp。
这里的Rp,有个专业名称:平衡电阻。引入平衡电阻,可以减小输入偏置电流对输出电压的影响。
作为面试题的话,回答到这里已经差不多了。但是,作为研发工程师,我们需要再深入些:平衡电阻的取值,有什么讲究?在解释这个问题前,需要解释下运放的输入偏置电流Ib和输入失调电流Ios。
偏置电流Ib和失调电流Ios
集成运放的输入级通常是由三极管或MOS管搭建。三极管属于流控性器件,要让三极管工作在放大区,必须要有偏置电流存在。MOS管虽然属于压控型器件,要让MOS管工作起来,不可能避免会有漏电流的存在。如此,为了让运放能够工作,运放的两个输入端口必然会存在输入电流,我们分别记作Ip和In。于是,输入偏置电流和输入失调电流有如下关系式:
这里有必要提一下,三极管和Ib和Ios通常在nA级别,Ib会比Ios大一个数量级;MOS管的Ib和Ios通常在pA级别,Ib同样大于Ios。
我们不妨找个运放实际来看下,以TI的双路运放LM358为例。从TI官网可以很容易下载到Datasheet,如下框图所示,可以看出在IN-、IN+输入端就是两个双极型晶体管。
我们再看下LM358的Ib和Ios。典型值Ib=10nA,Ios=0.5nA,相差一个数量级。
定量分析平衡电阻的取值
解释完输入偏置电流,我们需要再深入研究下输入偏置电流对输出电压的定量影响,以便我们更好地衡量平衡电阻的取值。为此,我们需要将运放的输入信号源接地,单纯地分析Ip和In对输出电压的影响。