電源正負限運算放大器的原理及應(yīng)用

1、電源正負限運算放大器的原理 及應(yīng)用電源正負限運算放大器的原理及應(yīng)用電源正負限運算放大器的原理及應(yīng)用作者：高光天文章來源： Internet5點擊數(shù)： 810更新時間： 2007-12-摘 要： 介紹電源正負限運算放大器的特點，輸入級和輸出級的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用時須考慮的問題關(guān)鍵詞： 電源正負限運算放大器 正限 負限 限區(qū) 動態(tài)范圍 近年來計算機技術(shù)、通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展促進模擬集成電路有了長足進步，其發(fā)展趨勢之一是單電源、低功耗、低價格和高性能。圖 1 15V 電源電壓情況下“限區(qū)”示意圖圖2 某些運放當(dāng)輸入信號超過規(guī)定的動態(tài)范圍時出現(xiàn)的“倒相”從電源的角度來說，傳統(tǒng)的雙電源 15V 供電系

2、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，許多便攜機和電池供電設(shè)備要求單電源、低功耗的器件，因為它們使用方便 、耐用；另一方面，從計算機系統(tǒng)和數(shù)字信號及混合信號設(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具特色的新產(chǎn)品，其中電源正 負限運算放大器 (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態(tài)范圍受到限制的問題。本文綜述了這類運算放大器的特點、原理及應(yīng)用問 題，希望對感興趣的讀者在應(yīng)用過程中有所裨益。1 特點電源正負限運算放大器是一種新型的運算放大器， 因為它具有非常窄的限區(qū) (headroom) 和極寬的輸入或輸出動態(tài)范圍 ( 下限接近或達到電源地， 限接近電源的正端電壓或相差幾毫伏 ) ，所以近年來很流行。為了說明電源正負限運算放大器的特點，我們先從普通的運算放大器談起。普通的雙極運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) 或電源的負限即負端電壓 (negative rail)或單電源的地，通常要有 23V 固定的限區(qū)。在給定輸出負載條件下這個限區(qū)的大小基本上不隨電源電壓變化。因此，對于普通的運算放大器，當(dāng)其電源電壓為 15V 時，其輸入和輸出動態(tài)范圍為 13V ；當(dāng) 其電源電壓降低到單電源 +5V 時，其滿度輸出范圍降到 2(2 5-2)=1 0V 。即使真正的單電源運算放大器，即其動態(tài)范圍的下限可以達到電源的負限即電源地，而其動態(tài)范圍的上限與電源正限之間仍然還有23V 的限區(qū)。在假定運放本底噪聲不變的情況下，輸入或輸出動態(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 果輸入或輸出信

5、號超過運放規(guī)定的動態(tài)范圍，即進入“限區(qū)”，特別是當(dāng)接近電源的負限 時，有時運放不但其線性變壞，而且會產(chǎn)生倒相或閂鎖現(xiàn)象，如圖 2 所示。鑒于普通運放 存在的上述問題，美國 ADI 公司研制出一系列新型運算放大器，使其限區(qū)減到最小，輸入或輸出動態(tài)范圍接近電源的正限和負限 ( 僅差幾毫伏 ) 這就是電源源正負限運算 放大器的特點，如圖 3 所示。2 原理2 1 輸入級結(jié)構(gòu)普通運算放大器的輸入級 （ 見圖 4）使用 NPN雙極結(jié)型晶體管 （BJT）（ 優(yōu)點是寬頻帶、低噪聲和低漂移，但功耗電流大 ） ，或者結(jié)型場效應(yīng)晶體管 （JFE T）（ 優(yōu)點是高輸入阻抗、低漏電流、低偏置電流和低功耗） 。這兩種輸

6、入級結(jié)構(gòu)的共同缺點是，都要求使用雙電源，并且相對電源的正限和負限都要求有 23V 的限區(qū)，以保證在規(guī)定的線性區(qū)正常工作。在許多單電源應(yīng)用中， 僅要求輸入達到電源電壓的一個端電壓 （通常為地）。使用PNP差動對管（或N溝道 JFET對管）很容易設(shè)計出零伏輸入的運算 放大器，例如差動對管結(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差動對管或 P 溝道 JFET對管 OP282/482。在圖 6 所示的 JFET 輸入級中，當(dāng)輸入信號接近和圖 3 真正的電源正負限運

7、算放大器的輸入輸出特性圖 4 采用 BJT 和 JFET 對管的普通輸入級結(jié)構(gòu)圖 5 允許輸入達到電源負限的 PNP對管輸入級結(jié)構(gòu)圖 6 允許輸入達到電源負限的 N 溝道 JFET 對管輸入級結(jié)構(gòu)超過放大器的線性共模電壓范圍時，可能會出現(xiàn)倒相。這是由于內(nèi)部放大器前級飽和迫使后級進入截止狀態(tài)。由于輸入級的結(jié)構(gòu)不同，出現(xiàn)倒相 的情況也不相同。對于 N 溝道 JFET輸入級，在倒相期間，輸出電壓可達到電源電壓的負限。對于P溝道 JFET輸入級，在倒相期間，輸出電壓可達到電源電壓的正限。新型的 JFET 輸入運算放大器 AD820，在輸入信號比電源電壓高 200mV的情況下，具有防止輸出電壓倒相的功能

8、。真正的電源正負限輸入級要求有兩個長尾對，其中一個長尾對為NPN雙極晶體管對 （ 或 P溝道 JEFT對） ，另一個長尾對為 PNP晶體管對（或N溝道 JFET對） ，如圖7所示。由于這兩種長尾對具有不同的失調(diào)電壓和偏置電流，所以當(dāng)輸入 共模電壓變化時，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)兩個電流源（ 1 和 2 ） 在通過整個輸入共模范圍有效時，放大器的輸入失調(diào)電壓實際上是 NPN和 PNP長尾對的平均失調(diào)電壓。在輸入共模電壓的某 點對電流源進行交替切換的應(yīng)用場合，放大器的輸入失調(diào)電壓對于接近負電源的信號，主要由于 PNP長尾對的失調(diào)電壓決定，而對于接近正電源的信號主要由NPN長

9、尾對的失調(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)選擇電源正負限運算放大器時，尤其是同相放大 器，應(yīng)認真考慮上述技術(shù)指標。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長尾對之間交替工作區(qū)卻相當(dāng)壞，反之亦然。因此在要求電源正負限輸入的應(yīng)用場合應(yīng)認真考慮，一定要使選 擇的運算放大器輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、共模抑制和噪聲電壓及噪聲電流滿足要求。2 2 輸出級結(jié)構(gòu)早期的集成運算

10、放大器的輸出級是帶有NPN電流源或下拉電阻的 NPN射級跟隨器，如圖 8(a) 所示。正向信號的轉(zhuǎn)換速率自然要比負向信號的轉(zhuǎn)換速率快。雖然所有現(xiàn)代運算放大器都具有某種形式的推挽輸出級，但也有許多運放的輸出級是非對稱的，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，從而還會導(dǎo)致輸出電壓接近電源正限和負限的能力不一樣。圖 7 電源正負限輸入級結(jié)構(gòu)圖 8 使用互補運算放大器輸出級推挽驅(qū)動普通運算放大器的輸出級另一種結(jié)構(gòu)如圖 8(b) 所示，采用 NPN PNP射極跟隨器對管，接成 AB類工作方式。放大器的

11、輸出動態(tài)范圍受每只晶體 管的 V BE 及串聯(lián)電阻壓降 IR 的限制。電源正負限運放器的輸出級結(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)成的輸出級不能使其動態(tài)范 圍完全達到電源的正限和負限，僅能達到電源正負限的晶體管飽和電壓(V CESAT ) 范圍內(nèi)。對于小的負載電流 (小于 100A)，飽和電壓可能低到 5 10mV，但是對于較大的負載電流 ，例如 50mA，飽和電壓可能增加到幾百毫伏 ( 例如 500mV)。總之，這種輸出級的動態(tài)范圍受 飽和電壓、導(dǎo)通電阻

12、和負載電流的限制。另一方面，由 CMOS場效應(yīng)晶體管 (FET) 構(gòu)成的輸出級雖然具有真正的電源正負限輸出特性，但僅當(dāng)在無負載條件下才能達到。如果輸出級必須給 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態(tài)范圍下降。3 應(yīng)用 電源正負限運算放大器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，移動通信設(shè)備、多媒體應(yīng)用 電路、電池供電儀表、單圖 9 電源正負限輸出級動態(tài)范圍限制因素電源傳感器信號調(diào)理、 DAC輸出級放大和電源控制及管理等領(lǐng)域。在選擇電源正負限運算放大器時應(yīng)考慮以下幾個問題：(1) 對于真正的電源正負限輸入運算放大器，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)用這類放大器的電路設(shè)計應(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/OP484一類的放大器，因為它們不具有任何共模交迭閾值。(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)認真匹配信號源阻抗。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) 放大器的輸出級增益依賴于負載，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， 如果阻性負載小于 10k

14、，應(yīng)當(dāng)選擇開環(huán)增益大于 30 000 的運算放大器。 對于不需要真正的電源正負限輸出動態(tài)范圍的應(yīng)用場合， 可選擇 OPX13和 OPX93系列運算放大器，其直流增益為 0 2V/V 或更大。(4) 電源正負限輸出電壓動態(tài)范圍與放大器輸出級結(jié)構(gòu)和負載電流有關(guān)。飽和電壓、導(dǎo)通電 阻和負載電流都影響放大器的輸出電壓動態(tài)范圍。根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能不同電源正負限運算放大器可分為多種類型。例如，正負限輸入、正負限輸出、正負限輸入和輸出運算放大器，+3V，+5V 供電單電源運放， 15V 雙電源運放，以及單、雙、四運放等。有關(guān)電源正負限運算放大器的詳細技術(shù)資料及選購業(yè)務(wù)請與北京市英賽爾器件集團及其 分公司聯(lián)系。參考文獻1 Analog Devices Inc.,Practica