如何正确使用运算放大器

　　失调电压是一个与精度有关的运放指标(失调电流现在一般都小得可以忽略)。理想情况下，运放的输入为0时，输出也为0。但由于运放内部器件的个体差异(比如器件的对称性、芯片的温度梯度等)，这个输出肯定不等于0。我们通常要在输入端加一个很小的电压，才可使输出为0;而加在输入端上的这个小电压就叫“失调电压”，或称“输入失调电压”。这是个直流参数，一般不随频率而变。

　　全差分运放主要用来为高端转换器提供差分输入信号，或者说，依靠全差分运放把单端信号(信号的一端接地)转换成差分信号(与地电位无关)。全差分运放与单端运放在结构上的最大不同点，是它的输出共模电压;所谓“输出共模电压”就是指两个输出端上输出信号摆动的中间值。单端运放输出电压的中间值是靠反馈电阻设定的，如图2中当VIN=0时，输出电压就被固定为VOUT=-VREFRF/RG。但全差分运放的反馈电路无法对输出电压的中间值进行调控，这就需要另加一个输出共模电压反馈电路(CMFB)。当设计全差分运放时，必须考虑这个问题。

　　全差分运放

　　近年来，模拟电路的低电压运行为全差分运放提供了更多的应用。这主要是因为在相同的电源电压下，全差分运放可以提供两倍的动态范围(DR)，这在低压电路中是非常宝贵的。全差分运放的另一个优点是不存在偶次谐波失真，这是由于全差分运放在正负两个方向上的摆幅可以设计成非常对称(单端运放难以实现这一点)，这也就进一步提高了运放电路的SNR(信噪比)和DR。可以预期，全差分运放将有越来越多的应用。

　　说到DR，我们也许有一些误解。DR是指电路的输出可以达到的最大信号与最小信号之比。电路的最大信号主要受限于电源、器件的饱和压降等，最小信号受限于器件的噪声水平等。当输入信号增加到允许的最大值时，SNR(信噪比)便与DR相等;而提高DR的途径是提高电源电压、扩展器件线性区、降低噪声等。顺便提一下，数字电路也有一个DR，但数字电路的DR非常简单：字长每增加一位，DR就增加6dB。还有，信号或参数本身也有一个DR，做DSP电路设计的朋友就会遇到这个情况，他们需要对每个信号或参数分配恰当的位数，位数太多了是浪费，太少了会溢出。总之，DR有几种不同的含义，但基本含义是最大值与最小值之比，而这个最小值一定大于零。

　　噪声

　　当模拟电路的精度要求很高时，噪声便成为一个限制因素。任何电阻都有热噪声，而热噪声可以归入白噪声。电容和电感一般是不产生噪声的，而且它们的滤波作用可以对噪声有相当的抑制。模拟电路中常用的 MOS 晶体管是一种单极性器件，所以它的沟道等于一个电阻，而电阻要产生热噪声。此外，存在于 MOS 管栅极氧化层中的缺陷可以引发低频噪声，或称1/f噪声(1/f噪声可以用来测评工艺线的水平)。所以，一个运放(也指大多数模拟电路)的噪声特性可以用1/f噪声和白噪声的叠加来描述。图3表示了一个反相运放的等效噪声模型。运放内部的噪声通常被折合为与同相输入端串联的电压源，如图中的en，而输出电压EOUT为输入电压EIN与等效噪声源en经放大后的电压之和，如下式所示：

　　=RReRREEnINOUT这里需要注意的是，噪声是通过功率相加的，所以上式中的输出电压EOUT计算为输入信号EIN和噪声en两者在输出端上功率之和的平方根。所以，如果一个噪声是10 V，另一个噪声是1 V，那么两者之和是10.05 V，而不是11 V。此外，等效噪声en是与运放的通带有关的，关于运放等效噪声的计算可以参阅[1]，该书中还用了许多实例来讲解如何对运放电路的噪声进行分析计算。

　　数据转换器与运放关系

　　数据转换器集中反映了一个公司的模拟电路设计和应用水平。转换器与模拟信号的连接一般总是通过运放实现的，这个过程叫“信号调整”。弄懂转换器的工作原理是理解转换器的基础;而只有在熟悉了转换器的技术指标之后，才算是开始掌握转换器了。我们通常把转换器的指标分为直流特性和交流特性。直流特性包括输入信号范围、分辨率(或精度)、非线性误差(积分非线性和微分非线性)等;交流特性是指转换器的带宽，或者说，在多高的频率下，转换器仍能保持应有的分辨率或精度。通常的交流测试方法是用一个已知频率作输入，然后对转换器的输出信号作谱分析，求其信噪比，推断出转换器的有效位数或DR。

　　当然，运放还有其他许多内容，比如单电源与双电源、运放参数的定义、滤波器、振荡器等。这些都可以在文献[1]中找到详细的讲解。热心模拟电路和运放的朋友应该逐渐掌握这些内容，而边看书边动手是最好的学习方法。