電源正負(fù)限運(yùn)算放大器的原理及應(yīng)用

1、電源正負(fù)限運(yùn)算放大器的原理及應(yīng)用作者：高光天文章來源：Inter點(diǎn)擊數(shù)：810更新時(shí)間：2007125摘要：介紹電源正負(fù)限運(yùn)算放大器的特點(diǎn)，輸入級(jí)和輸出級(jí)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用時(shí)須考慮的問題。關(guān)鍵詞：電源正負(fù)限運(yùn)算放大器正限負(fù)限限區(qū)動(dòng)態(tài)范圍近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展促進(jìn)模擬集成電路有了長足進(jìn)步，其發(fā)展趨勢之一是單電源、低功耗、低價(jià)格和高性能。圖115V電源電壓情況下“限區(qū)”示意圖圖2某些運(yùn)放當(dāng)輸入信號(hào)超過規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)出現(xiàn)

2、的“倒相”從電源的角度來說，傳統(tǒng)的雙電源15V供電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的需要。一方面，許多便攜機(jī)和電池供電設(shè)備要求單電源、低功耗的器件，因?yàn)樗鼈兪褂梅奖?、耐用；另一方面，從?jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)及混合信號(hào)設(shè)備中獲取單電源極為方便。從器件的性能來說，從傳統(tǒng)的雙電源改為降低電壓的單電源(比如從15V改為3V)，由于器件受單方向變化的限制，使其對(duì)失調(diào)電壓、偏置電流、有限開環(huán)增益、噪聲等引起的誤差比較敏感，也勢必影響帶寬、轉(zhuǎn)換速率和動(dòng)

3、態(tài)范圍。為了克服這些問題，必須采取特殊的電路結(jié)構(gòu)和特殊的制造工藝。因此近年來模擬器件制造商推出許多獨(dú)具特色的新產(chǎn)品，其中電源正負(fù)限運(yùn)算放大器(railtorailoperationalamplifier)就是采用了特殊的電路結(jié)構(gòu)，成功地解決了單電源工作條件下動(dòng)態(tài)范圍受到限制的問題。本文綜述了這類運(yùn)算放大器的特點(diǎn)、原理及應(yīng)用問題，希望對(duì)感興趣的讀者在應(yīng)用過程中有所裨益。1特點(diǎn)電源正負(fù)限運(yùn)算放大器是一種新型的運(yùn)算放大器，因?yàn)樗哂蟹浅Ｕ?/p>

4、的限區(qū)(headroom)和極寬的輸入或輸出動(dòng)態(tài)范圍(下限接近或達(dá)到電源地，上限接近電源的正端電壓或相差幾毫伏)，所以近年來很流行。為了說明電源正負(fù)限運(yùn)算放大器的特點(diǎn)，我們先從普通的運(yùn)算放大器談起。普通的雙極運(yùn)算放大器的電源電壓一般為15V(見圖1)，其最大輸入或輸出動(dòng)態(tài)范圍與該電源的正限即正端電壓(positiverail)或電源的負(fù)限即負(fù)端電壓(negativerail)或單電源的地，通常要有2～3V固定的限區(qū)。在給定輸出負(fù)載條件下

5、這個(gè)限區(qū)的大小基本上不隨電源電壓變化。因此，對(duì)于普通的運(yùn)算放大器，當(dāng)其電源電壓為15V時(shí)，其輸入和輸出動(dòng)態(tài)范圍為13V；當(dāng)其電源電壓降低到單電源5V時(shí)，其滿度輸出范圍降到2(252)=10V。即使真正的單電源運(yùn)算放大器，即其動(dòng)態(tài)范圍的下限可以達(dá)到電源的負(fù)限即電源地，而其動(dòng)態(tài)范圍的上限與電源正限之間仍然還有2～3V的限區(qū)。在假定運(yùn)放本底噪聲不變的情況下，輸入或輸出動(dòng)態(tài)范圍降低，勢必降低信噪比，從而限制了系統(tǒng)的有效分辨率。相反，如果輸入

6、或輸出信號(hào)超過運(yùn)放規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍，即進(jìn)入“限區(qū)”，特別是當(dāng)接近電源的負(fù)限時(shí)，有時(shí)運(yùn)放不但其線性變壞，而且會(huì)產(chǎn)生倒相或閂鎖現(xiàn)象，如圖2所示。鑒于普通運(yùn)放存在的上述問題，美國ADI公司研制出一系列新型運(yùn)算放大器，使其限區(qū)減到最小，輸入或輸出動(dòng)態(tài)范圍接近電源的正限和負(fù)限(僅差幾毫伏)，這就是電源源正負(fù)限運(yùn)算放大器的特點(diǎn)，如圖3所示。2原理速率快。雖然所有現(xiàn)代運(yùn)算放大器都具有某種形式的推挽輸出級(jí)，但也有許多運(yùn)放的輸出級(jí)是非對(duì)稱的，所以在某一方向

7、上的轉(zhuǎn)換速率要比其它方向上的轉(zhuǎn)換速率快。這種非對(duì)稱性一般是由于NPN晶體管所采用的集成電路制造工藝優(yōu)于PNP晶體管的制造工藝，從而還會(huì)導(dǎo)致輸出電壓接近電源正限和負(fù)限的能力不一樣。圖7電源正負(fù)限輸入級(jí)結(jié)構(gòu)圖8使用互補(bǔ)運(yùn)算放大器輸出級(jí)推挽驅(qū)動(dòng)普通運(yùn)算放大器的輸出級(jí)另一種結(jié)構(gòu)如圖8(b)所示，采用NPNPNP射極跟隨器對(duì)管，接成AB類工作方式。放大器的輸出動(dòng)態(tài)范圍受每只晶體管的VBE及串聯(lián)電阻壓降IR的限制。電源正負(fù)限運(yùn)放器的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)為圖

8、9所示。使PNP和NPN晶體管的交流和直流性能匹配得相當(dāng)好的集成電路工藝能夠使輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍和轉(zhuǎn)換速率匹配得相當(dāng)好。但是采用雙極結(jié)構(gòu)型晶體管(BJT)構(gòu)成的輸出級(jí)不能使其動(dòng)態(tài)范圍完全達(dá)到電源的正限和負(fù)限，僅能達(dá)到電源正負(fù)限的晶體管飽和電壓(VCESAT)范圍內(nèi)。對(duì)于小的負(fù)載電流(小于100μA)，飽和電壓可能低到5～10mV，但是對(duì)于較大的負(fù)載電流，例如50mA，飽和電壓可能增加到幾百毫伏(例如500mV)?？傊?，這種輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍

9、受飽和電壓、導(dǎo)通電阻和負(fù)載電流的限制。另一方面，由CMOS場效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成的輸出級(jí)雖然具有真正的電源正負(fù)限輸出特性，但僅當(dāng)在無負(fù)載條件下才能達(dá)到。如果輸出級(jí)必須給出電流或者吸收電流，由于FET內(nèi)部導(dǎo)通電阻(典型值為100Ω)，上的電壓降使輸出動(dòng)態(tài)范圍下降。3應(yīng)用電源正負(fù)限運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，移動(dòng)通信設(shè)備、多媒體應(yīng)用電路、電池供電儀表、單圖9電源正負(fù)限輸出級(jí)動(dòng)態(tài)范圍限制因素電源傳感器信號(hào)調(diào)理、DAC輸出級(jí)放大和電源

10、控制及管理等領(lǐng)域。在選擇電源正負(fù)限運(yùn)算放大器時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：(1)對(duì)于真正的電源正負(fù)限輸入運(yùn)算放大器，輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流是外加輸入共模電壓的函數(shù)。所以應(yīng)用這類放大器的電路設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以減小由此產(chǎn)生的誤差為目的。反相放大器在同相輸入端有一個(gè)虛地參考端，由于它保持輸入共模電壓不變，從而可以避免產(chǎn)生這些誤差。如果不接成反相放大器，則應(yīng)當(dāng)使用像OP284OP484一類的放大器，因?yàn)樗鼈儾痪哂腥魏喂材＝坏撝怠?2)由于輸入偏置電流并不

11、總是很小并且有不同的極性，所以為了減小輸入偏置電流引起的失調(diào)電壓和失真應(yīng)當(dāng)認(rèn)真匹配信號(hào)源阻抗。另外還要考慮使用的放大器在外加輸入共模電壓范圍內(nèi)應(yīng)該使偏置電流變換特性很平緩。(3)放大器的輸出級(jí)增益依賴于負(fù)載，從而影響放大器的開環(huán)增益，勢必影響閉環(huán)增益精度。在精密應(yīng)用中，如果阻性負(fù)載小于10k，應(yīng)當(dāng)選擇開環(huán)增益大于30000的運(yùn)算放大器。對(duì)于不需要真正的電源正負(fù)限輸出動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用場合，可選擇OPX13和OPX93系列運(yùn)算放大器，其直流增