电源正负限运算放大器的原理及应用

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1、电源正负限运算放大器的原理及应用作者：高光天文章来源：Inernt点击数： 0更新时间：12-摘 要：简介电源正负限运算放大器的特点,输入级和输出级的构造及应用时须考虑的问题。核心词: 电源正负限运算放大器 正限 负限限区 动态范畴近年来计算机技术、通信技术和多媒体技术的迅猛发展增进模拟集成电路有了长足进步，其发展趋势之一是单电源、低功耗、低价格和高性能。图 1电源电压状况下“限区”示意图图2 某些运放当输入信号超过规定的动态范畴时浮现的“倒相”从电源的角度来说,老式的双电源15供电系统已经不能满足现代电子技术发展的需要。一方面，许多便携机和电池供电设备规定单电源、低功耗的器件,由于它们使用以

2、便、耐用；另一方面，从计算机系统和数字信号及混合信号设备中获取单电源极为以便。从器件的性能来说，从老式的双电源改为减少电压的单电源(例如从15V改为3V），由于器件受单方向变化的限制,使其对失调电压、偏置电流、有限开环增益、噪声等引起的误差比较敏感,也势必影响带宽、转换速率和动态范畴。为了克服这些问题，必须采用特殊的电路结构和特殊的制造工艺。因此近年来模拟器件制造商推出许多独具特色的新产品,其中电源正负限运算放大器(altorail peratioalamplifier)就是采用了特殊的电路构造,成功地解决了单电源工作条件下动态范畴受到限制的问题。本文综述了此类运算放大器的特点、原理及应用问题

3、,但愿对感爱好的读者在应用过程中有所裨益。1 特点电源正负限运算放大器是一种新型的运算放大器,由于它具有非常窄的限区(hadroom)和极宽的输入或输出动态范畴(下限接近或达到电源地,上限接近电源的正端电压或相差几毫伏),因此近年来很流行。为了阐明电源正负限运算放大器的特点,我们先从一般的运算放大器谈起。一般的双极运算放大器的电源电压一般为15V(见图1),其最大输入或输出动态范畴与该电源的正限即正端电压(ositie il)或电源的负限即负端电压（giv ail)或单电源的地,一般要有23V固定的限区。在给定输出负载条件下这个限区的大小基本上不随电源电压变化。因此,对于一般的运算放大器,当其

4、电源电压为15V时,其输入和输出动态范畴为13V ;当其电源电压减少到单电源+5时,其满度输出范畴降到2(25-2)=10。虽然真正的单电源运算放大器，即其动态范畴的下限可以达到电源的负限即电源地,而其动态范畴的上限与电源正限之间仍然尚有2的限区。在假定运放本底噪声不变的状况下，输入或输出动态范畴减少,势必减少信噪比，从而限制了系统的有效辨别率。相反，如果输入或输出信号超过运放规定的动态范畴，即进入“限区”,特别是当接近电源的负限时，有时运放不仅其线性变坏,并且会产生倒相或闩锁现象，如图所示。鉴于一般运放存在的上述问题,美国ADI公司研制出一系列新型运算放大器,使其限区减到最小,输入或输出动态

5、范畴接近电源的正限和负限(仅差几毫伏),这就是电源源正负限运算放大器的特点，如图3所示。2原 理21输入级构造一般运算放大器的输入级(见图4）使用N双极结型晶体管(BJT)（长处是宽频带、低噪声和低漂移，但功耗电流大),或者结型场效应晶体管(JE)（长处是高输入阻抗、低漏电流、低偏置电流和低功耗）。这两种输入级构造的共同缺陷是，都规定使用双电源，并且相对电源的正限和负限都规定有23的限区，以保证在规定的线性区正常工作。在许多单电源应用中,仅规定输入达到电源电压的一种端电压(一般为地)。使用NP差动对管(或N沟道JFET对管)很容易设计出零伏输入的运算放大器,例如差动对管构造的A8041/4/4

6、4，如图所示(N沟道JFET构造的820/223/24,如图所示)。如果输入共模范畴仅规定涉及电源的正限,可使用NPN差动对管或P沟道JFET对管P82/482。在图6所示的JET输入级中，当输入信号接近和图3 真正的电源正负限运算放大器的输入输出特性图4 采用BJT和JFET对管的一般输入级构造图5 容许输入达到电源负限的P对管输入级构造图6容许输入达到电源负限的沟道JFET对管输入级构造超过放大器的线性共模电压范畴时,也许会浮现倒相。这是由于内部放大器前级饱和迫使后级进入截止状态。由于输入级的构造不同，浮现倒相的状况也不相似。对于沟道JT输入级,在倒相期间,输出电压可达到电源电压的负限。对

7、于P沟道JFT输入级,在倒相期间，输出电压可达到电源电压的正限。新型的ET输入运算放大器AD820,在输入信号比电源电压高200V的状况下,具有避免输出电压倒相的功能。真正的电源正负限输入级规定有两个长尾对,其中一种长尾对为PN双极晶体管对(或P沟道JEFT对)，另一种长尾对为N晶体管对(或N沟道JFT对）,如图7所示。由于这两种长尾对具有不同的失调电压和偏置电流，因此当输入共模电压变化时，放大器的输入失调电压和输入偏置电流也跟着变化。当两个电流源( 和 )在通过整个输入共模范畴有效时，放大器的输入失调电压事实上是PN和PN长尾对的平均失调电压。在输入共模电压的某点对电流源进行交替切换的应用场

8、合，放大器的输入失调电压对于接近负电源的信号,重要由于PP长尾对的失调电压决定,而对于接近正电源的信号重要由NPN长尾对的失调电压决定。放大器的输入偏置电流不仅是晶体管电流增益的函数,并且也是输入共模电压的函数。与双电源精密器件相比，这种单电源放大器的输入偏置电流使其共模克制(CM)相称差,并且在共模输入电压范畴内变化共模输入阻抗。当选择电源正负限运算放大器时，特别是同相放大器，应认真考虑上述技术指标。输入失调电压、输入偏置电流，甚至M在部分共模范畴上也许都相称好，但是在NN和PNP长尾对之间交替工作区却相称坏，反之亦然。因此在规定电源正负限输入的应用场合应认真考虑，一定要使选择的运算放大器输

9、入失调电压、输入偏置电流、共模克制和噪声电压及噪声电流满足规定。22输出级构造初期的集成运算放大器的输出级是带有NP电流源或下拉电阻的NP射级跟随器,如图(a）所示。正向信号的转换速率自然要比负向信号的转换速率快。虽然所有现代运算放大器都具有某种形式的推挽输出级,但也有许多运放的输出级是非对称的，因此在某一方向上的转换速率要比其他方向上的转换速率快。这种非对称性一般是由于NP晶体管所采用的集成电路制造工艺优于N晶体管的制造工艺,从而还会导致输出电压接近电源正限和负限的能力不同样。图7电源正负限输入级构造图8使用互补运算放大器输出级推挽驱动一般运算放大器的输出级另一种构造如图(b)所示,采用PN

10、PNP射极跟随器对管，接成AB类工作方式。放大器的输出动态范畴受每只晶体管的V BE及串联电阻压降的限制。电源正负限运放器的输出级构造为图9所示。使PP和NPN晶体管的交流和直流性能匹配得相称好的集成电路工艺可以使输出电压动态范畴和转换速率匹配得相称好。但是采用双极构造型晶体管（T)构成的输出级不能使其动态范围完全达到电源的正限和负限,仅能达到电源正负限的晶体管饱和电压(CESAT)范畴内。对于小的负载电流（不不小于0A），饱和电压也许低到510mV，但是对于较大的负载电流，例如50mA，饱和电压也许增长到几百毫伏(例如500mV)。总之，这种输出级的动态范畴受饱和电压、导通电阻和负载电流的限

11、制。另一方面，由CMOS场效应晶体管（ET)构成的输出级虽然具有真正的电源正负限输出特性,但仅当在无负载条件下才干达到。如果输出级必须给出电流或者吸取电流，由于FT内部导通电阻(典型值为10),上的电压降使输出动态范畴下降。3 应用电源正负限运算放大器广泛应用于工业过程控制,移动通信设备、多媒体应用电路、电池供电仪表、单图9 电源正负限输出级动态范畴限制因素电源传感器信号调理、DC输出级放大和电源控制及管理等领域。在选择电源正负限运算放大器时应考虑如下几种问题：（1)对于真正的电源正负限输入运算放大器，输入失调电压和输入偏置电流是外加输入共模电压的函数。因此应用此类放大器的电路设计应当以减小由

12、此产生的误差为目的。反相放大器在同相输入端有一种虚地参照端，由于它保持输入共模电压不变,从而可以避免产生这些误差。如果不接成反相放大器，则应当使用像OP84/OP484一类的放大器,由于它们不具有任何共模交迭阈值。(2)由于输入偏置电流并不总是很小并且有不同的极性,所觉得了减小输入偏置电流引起的失调电压和失真应当认真匹配信号源阻抗。此外还要考虑使用的放大器在外加输入共模电压范畴内应当使偏置电流变换特性很平缓。(）放大器的输出级增益依赖于负载,从而影响放大器的开环增益,势必影响闭环增益精度。在精密应用中，如果阻性负载不不小于0k,应当选择开环增益不小于0 00的运算放大器。对于不需要真正的电源正

13、负限输出动态范畴的应用场合,可选择PX1和OPX3系列运算放大器,其直流增益为02V/V或更大。(4)电源正负限输出电压动态范畴与放大器输出级构造和负载电流有关。饱和电压、导通电阻和负载电流都影响放大器的输出电压动态范畴。根据构造和功能不同电源正负限运算放大器可分为多种类型。例如,正负限输入、正负限输出、正负限输入和输出运算放大器，3V，5V供电单电源运放,15V双电源运放,以及单、双、四运放等。有关电源正负限运算放大器的具体技术资料及选购业务请与北京市英赛尔器件集团及其分公司联系。参照文献1aog Deves nc.,rcical Analog Designcnque,12Auaog DevcesInc,High e Dsin Techniqus,196Alo evies Inc.,nalog igueVo1.29,No,95 高光天有关aloil ample一组新名词释名和定名的探讨模拟器件天地第期197年,电子产品世界，第1期997年