运算放大器工作原理及误差分析

全功率带宽BW：全功率带宽定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。

建立时间：建立时间定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时间。由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建立时间。对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。建立时间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。

等效输入噪声电压：等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为运放输入噪声电压（有时也用噪声电流表示）。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。

差模输入阻抗（也称为输入阻抗）：差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，在低频时仅指输入电阻。一般产品也仅仅给出输入电阻。采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧；场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于109欧。

共模输入阻抗：共模输入阻抗定义为，运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它表现为共模电阻。通常，运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多，典型值在108欧以上。

输出阻抗：输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。这个参数在开环测试。

3． 运算放大器的对信号放大的影响和运放的选型
由于运算放大器芯片型号众多，即使按照上述办法分类，种类也不少，细分就更多了，这对于初学者就难免犯晕。本节力求通过几个实际电路的分析，明确运算放大器的对信号放大的影响，最后总结如何选择运放。

CA3140的主要指标为：
项目 单位 参数
输入失调电压 μV 5000
输入失调电压温度漂移 μV/℃ 8
输入失调电流 pA 0.5
输入失调电流温度漂移 pA/℃ 0.005

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：
项目 单位 参数
输入失调电压造成的误差 μV 5000
输入失调电流造成的误差 μV 0.0045
合计本项误差为 μV 5000
输入信号200mV时的相对误差 % 2.5
输入信号100mV时的相对误差 % 5
输入信号 25mV时的相对误差 % 20
输入信号 10mV时的相对误差 % 50
输入信号 1mV时的相对误差 % 500

初步结论是：高阻运放的输入失调电流很小，它造成的误差远远不及输入失调电压造成的误差，可以忽略；而输入失调电压造成的误差仍然不小，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：
项目 单位 参数
输入失调电压温漂造成的误差 μV 200
输入失调电流温漂造成的误差 μV 0.001
合计本项误差为 μV 200
输入信号200mV时的相对误差 % 0.1
输入信号100mV时的相对误差 % 0.2
输入信号 25mV时的相对误差 % 0.8
输入信号 10mV时的相对误差 % 2
输入信号 1mV时的相对误差 % 20

初步结论是：高阻运放的输入失调电流温漂很小，它造成的误差远远不及输入失调电压温漂造成的误差，可以忽略；在使用高阻运放时，由于失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。
由于高阻运放的输入失调电流只有通用运放的千分之一，因此若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，几乎不会造成可明显察觉的误差。

HA5159的主要指标为：
项目 单位 参数
输入失调电压 μV 10000
输入失调电压温度漂移 μV/℃ 20
输入失调电流 nA 6
输入失调电流温度漂移 pA/℃ 60

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：
项目 单位 参数
输入失调电压造成的误差 μV 10000
输入失调电流造成的误差 μV 54.5
合计本项误差为 μV 10054
输入信号200mV时的相对误差 % 5.0
输入信号100mV时的相对误差 % 10.1
输入信号 25mV时的相对误差 % 40.2
输入信号 10mV时的相对误差 % 100.5
输入信号 1mV时的相对误差 % 1005

初步结论是：输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：
项目 单位 参数
输入失调电压温漂造成的误差 μV 500
输入失调电流温漂造成的误差 μV 13.6
合计本项误差为 μV 513

输入信号200mV时的相对误差 % 0.3
输入信号100mV时的相对误差 % 0.51
输入信号 25mV时的相对误差 % 2.05
输入信号 10mV时的相对误差 % 5.14
输入信号 1mV时的相对误差 % 51.4
初步结论是：在使用高速运放时，由于失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。

若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，造成误差如下：
这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：
项目 单位 参数
输入失调电压造成的误差 μV 10000
输入失调电流造成的误差 μV 109
合计本项误差为 μV 10109
这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：
项目 单位 参数
输入失调电压温漂造成的误差 μV 500
输入失调电流温漂造成的误差 μV 27.3
合计本项误差为 μV 527
初步结论：仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变，而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以，对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时，输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加，甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差，所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。

低功耗运放LF441的主要指标为：
项目 单位 参数
输入失调电压 μV 7500
输入失调电压温度漂移 μV/℃ 10
输入失调电流 nA 1.5
输入失调电流温度漂移 pA/℃ 15