了解音频运算放大器的关键参数
在设计音频系统时、需要考虑许多设计注意事项。 在选择合适的音频放大器时、需要记住一些最重要的参数。
带宽和静态电流
带宽是放大器电压增益高于其最大输出值-3dB 截止点的频率范围。 例如、如果放大器的最大增益为50dB、并且工作频率处于带宽、则您将期望最大增益现在为47dB、并随着工作频率的增加而下降。
带宽越高、工作频率就越高。 带宽和静态电流通常相互关联。 一般而言、增益带宽越高、静态电流越高。 这是因为带宽已经与晶体管的跨导相关。 如果增加晶体管的漏极电流或集电极电流(即增加静态电流)、则跨导随总体带宽增加。 下面是双极和 CMOS 的晶体管公式、以更直观地表示：
图1：双极和 MOSFET 带宽公式
您还可以在此处看到、对于相同的静态电流、当跨导随着集电极电流的线性增加而上升时、双极运算放大器将具有更高的带宽。 但是、静态电流越高、预期的功率耗散就越大。 具有更高的带宽将有助于高速电子产品、但具有高静态电流将增加电池供电系统需要考虑的功耗。
当速度是一个因素时、也会讨论压摆率。 压摆率通常被称为输入发生变化时运算放大器输出电压的最大变化率、通常以 V/us 为测量单位。 压摆率越快、器件越快。 此参数也与静态电流有关。
失调电压和输入偏置电流
失调电压是运算放大器输出中具有零伏电压所需的差分输入电压。 该偏移是由差分晶体管对的差异引起的。 它通常被视为输入中的直流源。 温漂是温度的函数。 在室温下、它应该为零、但在温度偏离室温时、您将获得更多的偏移电压。 数字电路通常集成在运算放大器中以降低失调电压、但这会以牺牲带宽为代价。
输入偏置电流也称为失调电流。 它来自晶体管差分对基极的电流差。 对于 FET 器件、栅极电阻通常很高、因此该偏置电流来自保护二极管泄漏电流。 无论如何、它们都建模为连接到每个输入的电流源。 因此、只要运算放大器在同相模式下使用、连接到运算放大器任一差分端的电阻都会产生不必要的电压。
任一参数都会影响运算放大器的总体精度、因此如果精度是设计的关键、请选择具有低失调电压和低输入偏置电流的产品。
总谐波失真
许多设计人员还关心总谐波失真。 虽然音频范围(20Hz-20kHz)内的每个频率都有一个特定的 THD 值。 大多数数据表将强调1KHz 时的 THD、以便很好地表示音频范围、因为它位于音频谱的平带分量。 但是、大多数数据表也将包含指定频率范围的数据。
总谐波失真是产品输出中存在的输入信号的所有谐波之和。 除了输入信号外、这通常听起来像是额外的音调。 如果输入为1kHz、则通过实际器件的非线性会在2kHz (二次谐波)、3kHz (三次谐波)等频率下产生整数倍。 因此、较低的 THD 更能代表输入信号、因为干扰更少。 THD 的计算公式如下：
其中 Vn 在顶部是第 n 次谐波处的电压。 THD 有时也以分贝为单位进行测量。
噪声参数
具有低噪声放大器对于预放大等低频应用非常重要。 噪声通常通过放大器输入端的电压和电流波动进行测量。 电压噪声波动通过短路输入进行测试、而电流波动通过开路输入进行测量。 在任何一种情况下、这两种测量均以纳安或纳伏/平方根频率为单位。 通常、与 THD 类似、通常选择1kHz 噪声作为表示。
有许多因素会影响放大器的噪声量、包括温度、放大器的内部构成、带宽、放大器输入的外部阻抗等。
许多运算放大器都具有用于增益控制的外部电阻器、因此必须知道这些外部电阻器会增加总体噪声。 外部电阻噪声可通过以下公式计算：
其中 k 是玻尔兹曼常数、T 是以开尔文为单位的温度、B 是运行的带宽或频率。
输入电流噪声的变化远高于从毫微微安到皮安的输入电压噪声、这是输入电压噪声通常主要显示在数据表中的另一个原因。 差异通常来自运算放大器的架构。 对于 BJT 和 JFET 架构、电流噪声是来自偏置电流和通用充电常数的散粒噪声。
电流噪声将与源电阻相互作用、从而产生超出设计人员预期的输入电压噪声。
来自其他源的输入噪声电压以平方和根值相加、并且没有简单的计算方法、因为它是大量源的总和。 但是、必须注意的是、根据您的设计、外部电阻、与源极电阻发生反应的输入电流噪声或运算放大器架构特有的内部输入电压噪声可能会产生最大的输入电压噪声。
