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)用作者：高光天文章來源：Inter點擊數(shù)：810更新時間：2007125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115V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)

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

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具特色的新產(chǎn)品，其中電源正負限運算放大器(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

4、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，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(positiverail)或電源的負限即負端電壓(negativerail)或單電源的地，通常要有2～3V固定的限區(qū)。在給定輸出負載條件下

5、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52)=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2～3V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

6、或輸出信號超過運放規(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

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。放大器的輸出動態(tài)范圍受每只晶體管的VBE及串聯(lián)電阻壓降IR的限制。電源正負限運放器的輸出級結(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(VCESAT)范圍內(nèi)。對于小的負載電流(小于100μA)，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

9、受飽和電壓、導(dǎo)通電阻和負載電流的限制。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100Ω)，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

10、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OP284OP484一類的放大器，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

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，應(yīng)當(dāng)選擇開環(huán)增益大于30000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