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)用電源正負(fù)限運(yùn)算放大器的原理及應(yīng)用電源正負(fù)限運(yùn)算放大器的原理及應(yīng)用作者：高光天文章來(lái)源： Internet5點(diǎn)擊數(shù)： 810更新時(shí)間： 2007-12-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(wèn)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(lái)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(zhǎng)足進(jìn)步，其發(fā)展趨勢(shì)之一是單電源、低功耗、低價(jià)格和高性能。圖 1 15V 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(guò)規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)出現(xiàn)的“倒相”從電源的角度來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的雙電源 15V 供電系

2、統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)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，從計(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(lái)說(shuō)，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(kāi)環(huán)增益、噪聲等引起的誤差比較敏感，也勢(shì)必影響帶寬、轉(zhuǎn)換速 率和動(dòng)態(tài)范圍。為了克服這些問(wèn)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(lái)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 rail operational a

3、mplifier) 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(wèn)題。本文綜述了這類(lèi)運(yùn)算放大器的特點(diǎn)、原理及應(yīng)用問(wèn) 題，希望對(duì)感興趣的讀者在應(yīng)用過(guò)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南迏^(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， 限接近電源的正端電壓或相差幾毫伏 ) ，所以近年來(lái)很流行。為了說(shuō)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(jiàn)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 (positive r

4、ail) 或電源的負(fù)限即負(fù)端電壓 (negative rail)或單電源的地，通常要有 23V 固定的限區(qū)。在給定輸出負(fù)載條件下這個(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(mǎn)度輸出范圍降到 2(2 5-2)=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23V 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(shì)必降低信噪比，從而限制了系統(tǒng)的有效分辨率。相反，如 果輸入或輸出信

5、號(hào)超過(guò)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(xiàn)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(wèn)題，美國(guó) 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2 1 輸入級(jí)結(jié)構(gòu)普通運(yùn)算放大器的輸入級(jí) （ 見(jiàn)圖 4）使用 NPN雙極結(jié)型晶體管 （BJT）（ 優(yōu)點(diǎn)是寬頻帶、低噪聲和低漂移，但功耗電流大 ） ，或者結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （JFE T）（ 優(yōu)點(diǎn)是高輸入阻抗、低漏電流、低偏置電流和低功耗） 。這兩種輸

6、入級(jí)結(jié)構(gòu)的共同缺點(diǎn)是，都要求使用雙電源，并且相對(duì)電源的正限和負(fù)限都要求有 23V 的限區(qū)，以保證在規(guī)定的線(xiàn)性區(qū)正常工作。在許多單電源應(yīng)用中， 僅要求輸入達(dá)到電源電壓的一個(gè)端電壓 （通常為地）。使用PNP差動(dòng)對(duì)管（或N溝道 JFET對(duì)管）很容易設(shè)計(jì)出零伏輸入的運(yùn)算 放大器，例如差動(dòng)對(duì)管結(jié)構(gòu)的 AD8041/42/44 ，如圖 5所示（N 溝道 JFET結(jié)構(gòu)的 AD820/22/23/24 ，如圖 6所示） 。如果輸入共模范圍僅要求包括電 源的正限，可使用 NPN差動(dòng)對(duì)管或 P 溝道 JFET對(duì)管 OP282/482。在圖 6 所示的 JFET 輸入級(jí)中，當(dāng)輸入信號(hào)接近和圖 3 真正的電源正負(fù)限運(yùn)

7、算放大器的輸入輸出特性圖 4 采用 BJT 和 JFET 對(duì)管的普通輸入級(jí)結(jié)構(gòu)圖 5 允許輸入達(dá)到電源負(fù)限的 PNP對(duì)管輸入級(jí)結(jié)構(gòu)圖 6 允許輸入達(dá)到電源負(fù)限的 N 溝道 JFET 對(duì)管輸入級(jí)結(jié)構(gòu)超過(guò)放大器的線(xiàn)性共模電壓范圍時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)倒相。這是由于內(nèi)部放大器前級(jí)飽和迫使后級(jí)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。由于輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)不同，出現(xiàn)倒相 的情況也不相同。對(duì)于 N 溝道 JFET輸入級(jí)，在倒相期間，輸出電壓可達(dá)到電源電壓的負(fù)限。對(duì)于P溝道 JFET輸入級(jí)，在倒相期間，輸出電壓可達(dá)到電源電壓的正限。新型的 JFET 輸入運(yùn)算放大器 AD820，在輸入信號(hào)比電源電壓高 200mV的情況下，具有防止輸出電壓倒相的功能

8、。真正的電源正負(fù)限輸入級(jí)要求有兩個(gè)長(zhǎng)尾對(duì)，其中一個(gè)長(zhǎng)尾對(duì)為NPN雙極晶體管對(duì) （ 或 P溝道 JEFT對(duì)） ，另一個(gè)長(zhǎng)尾對(duì)為 PNP晶體管對(duì)（或N溝道 JFET對(duì)） ，如圖7所示。由于這兩種長(zhǎng)尾對(duì)具有不同的失調(diào)電壓和偏置電流，所以當(dāng)輸入 共模電壓變化時(shí)，放大器的輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流也跟著變化。當(dāng)兩個(gè)電流源（ 1 和 2 ） 在通過(guò)整個(gè)輸入共模范圍有效時(shí)，放大器的輸入失調(diào)電壓實(shí)際上是 NPN和 PNP長(zhǎng)尾對(duì)的平均失調(diào)電壓。在輸入共模電壓的某 點(diǎn)對(duì)電流源進(jìn)行交替切換的應(yīng)用場(chǎng)合，放大器的輸入失調(diào)電壓對(duì)于接近負(fù)電源的信號(hào)，主要由于 PNP長(zhǎng)尾對(duì)的失調(diào)電壓決定，而對(duì)于接近正電源的信號(hào)主要由NPN長(zhǎng)

9、尾對(duì)的失調(diào)電壓決定。放大器的輸入偏置電流不但是晶體管電流增益的函數(shù)，而且也是輸入共模電壓的函數(shù)。與雙電源精密器件相比，這種單電源放大器的輸入偏置電 流使其共模抑制 （CMR）相當(dāng)差，而且在共模輸入電壓范圍內(nèi)改變共模輸入阻抗。當(dāng)選擇電源正負(fù)限運(yùn)算放大器時(shí)，尤其是同相放大 器，應(yīng)認(rèn)真考慮上述技術(shù)指標(biāo)。輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流，甚至CMR在部分共模范圍上可能都相當(dāng)好，但是在 NPN和 PNP長(zhǎng)尾對(duì)之間交替工作區(qū)卻相當(dāng)壞，反之亦然。因此在要求電源正負(fù)限輸入的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)認(rèn)真考慮，一定要使選 擇的運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、共模抑制和噪聲電壓及噪聲電流滿(mǎn)足要求。2 2 輸出級(jí)結(jié)構(gòu)早期的集成運(yùn)算

10、放大器的輸出級(jí)是帶有NPN電流源或下拉電阻的 NPN射級(jí)跟隨器，如圖 8(a) 所示。正向信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率自然要比負(fù)向信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率快。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(chēng)的，所以在某一方向上的轉(zhuǎn)換速率要比其它 方向上的轉(zhuǎn)換速率快。這種非對(duì)稱(chēng)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(lèi)工作方式。放大器的

11、輸出動(dòng)態(tài)范圍受每只晶體 管的 V BE 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 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(V CESAT ) 范圍內(nèi)。對(duì)于小的負(fù)載電流 (小于 100A)，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)范圍受 飽和電壓、導(dǎo)通電阻

12、和負(fù)載電流的限制。另一方面，由 CMOS場(chǎng)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(wú)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 100)，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(guò)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(wèn)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

13、壓的函數(shù)。所以應(yīng)用這類(lèi)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 OP284/OP484一類(lèi)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(lài)于負(fù)載，從而影響放大器的開(kāi)環(huán)增益，勢(shì)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

14、，應(yīng)當(dāng)選擇開(kāi)環(huán)增益大于 30 000 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(chǎng)合， 可選擇 OPX13和 OPX93系列運(yùn)算放大器，其直流增益為 0 2V/V 或更大。(4) 電源正負(fù)限輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍與放大器輸出級(jí)結(jié)構(gòu)和負(fù)載電流有關(guān)。飽和電壓、導(dǎo)通電 阻和負(fù)載電流都影響放大器的輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能不同電源正負(fù)限運(yùn)算放大器可分為多種類(lèi)型。例如，正負(fù)限輸入、正負(fù)限輸出、正負(fù)限輸入和輸出運(yùn)算放大器，+3V，+5V 供電單電源運(yùn)放， 15V 雙電源運(yùn)放，以及單、雙、四運(yùn)放等。有關(guān)電源正負(fù)限運(yùn)算放大器的詳細(xì)技術(shù)資料及選購(gòu)業(yè)務(wù)請(qǐng)與北京市英賽爾器件集團(tuán)及其 分公司聯(lián)系。參考文獻(xiàn)1 Analog Devices Inc.,Practica