电子设计应用-运算放大器

《电子设计应用-运算放大器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、电子设计应用-运算放大器问：为什么有这样多不同类型的运算放大器?答：因为在不同的应用中有这样多的重要参数，还因为不可能使这些参数 同 时都达到最佳。所以运算放大器可以根据速度、噪声(电压噪声、电流噪声或两者)、输入失 调电 压和漂移、偏置电流和漂移及共模电压范围进行选择。与电源有关的其它选择因素还包括： 输出功率、功耗、工作电压、环境温度范围和封装形式。不同的电路结构和制造工艺可对不 同的性能参数进行优化。问：运算放大器在结构上有共同点吗?答：有。大多数类型(电压输入)运算放大器都有三级结构，第一级是带有差分输 入和差分输出的输入级，具有高共模抑制；第二级是带有差分输入和单端输出

2、的增益级，电 压增益很高，一般具有单极点频率响应；第三级是输出级，通常具有单位电压增益，结构框 图如图4-1所示。图41 电压输入运算放大器结构框图 问：运算放大器在结构上有哪些不同点?答：运算放大器在基本结构上有许多不同点。最主要的一点是输入级的结构 。输入级几乎都是长尾对结构(一对放大器接成图42所示的形式)，但器件的选择对运算放 大器输入参数的影响至关重要。为了避免对某种半导体器件的倾向性，这里给出的是热阴极 电子管图，因为目前的热电子器件一般都不采用集成电路芯片构成输入级，而只有单片运算 放大器才具有由双极型场效应管(FET)构成的输入级。由双极型晶体管构成的长尾对式

3、差分放大器如图43所示。它的主要特点是噪声很低并且适 当调整后失调电压也很低。另外，如果输入级的失调电压调整到最小，那么一定会有最小的 失调漂移。它的主要缺点是受晶体管的发射极电流和基极电流比例的限制。另外，如果发射 极电流 对输入级足够大以便有合适的带宽，那么基极电流(从而也使偏置电流)也要相当 此主题相关图片如下：图42 由热阴极电子管构成的“长尾对”差分 放大器 此主题相关图片如下：图43 简单的双极型晶体管构成的差分放大 器大(通用运算放大器为50～1 000 nA，高速运算放大器高达10 μA)。 反相输入端和同相输入端的偏置电流都是单极性的并且匹配得很好(两者之

4、差称作失 调电流)，其中偏置电流较小的一路随温度增加而减小。在许多应用中，使用精密匹配电阻 进行补偿来提高偏置电流。图44示出一个偏置电流补偿电路，其中同相输入端偏置电流经 过电阻RC(称作偏置补偿电阻)。RC用来补偿反相输入端偏置电流通过电阻R2时产生的 压降。RC的标称值应该等于电阻R1与R2的并联值，调整RC将非零失调电流引起的误 差调至最小。 这种偏置补偿仅当偏置电流匹配得很好的情况下才是有用的。如果匹配得不好，偏置补 偿电阻居然会引起误差。 如果规定的双极型输入级没有这么大的偏置电流，那么运算放大器的设计者可以采用不 同 形式的偏置补偿(见图45)。虽然采用相同的长

5、尾对，但每个基极所需要的主要电流都是由 芯片内一个电流源提供此主题相关图片如下：图44 偏置补偿电阻可使偏置电流误差减至最小 此主题相关图片如下：图45 偏置补偿双极型输入级 的。这样可使外部偏置电流减小到10 nA以下，不影响失调、温漂、 带宽或电压噪声，而且偏置电流随温度变化很小。 这种结构的输入级有两个缺点：一是电流噪声增加；二是外部偏置电流匹配得不好 (实际上，当芯片温度变化时，偏置电流可沿相反方向流动或改变极性)。对于许多应用来说 ，这两个缺点根本不算毛病。实际上，一种最常见的低失调运算放大器OP07就属于这种 结 构，同样OP27，OP37和AD707，它们

6、的失调电压都仅为15 μV。当运算放大器产品说明 中明 确给出双极性偏置电流(例如±40nA)时，常常认为这种类型的放大器是偏置补偿放大 器。在甚至几个纳安(nA)的偏置电流都不允许的情况下，通常用场效应管取代双极型晶体管 。在过去，MOSFET对运算放大器的输入级还存在一定的噪声，尽管现代半导体工艺正在克 服这个缺点。另外还因为MOSFET失调电压也相当高，所以为了制造高性能低偏置电流的运算 放大器，使用结型场效应管(JFET)作为输入级。典型JFET运算放大器输入级原理图如图46 所示。 JFET 的偏置电流与流过器件的电流无关，所以甚至宽频带JFET放大器可能有很低的偏

7、置 电流(几十皮安是常见的)，而且AD549在室温条件下保证偏置电流低于60 fA(每3 μs 一个电子)。 “在室温”这个条件是很重要的，此时JFET的偏置电流等于其栅极二极管的反向漏电流 ，而且硅二极 此主题相关图片如下：图46 JFET 运算放大器输入级原理图 管的反向漏电流随温度每增加10°C大约增加一倍。JFET运算放大器的偏置电 流随温度变化并不稳定。实际上在25～125°C温度范围内，JFET运算放大器的偏置电流能增 加到1 000倍以上(这对于MOSFET运算放