電子設(shè)計(jì)應(yīng)用-運(yùn)算放大器

1、電子設(shè)計(jì)應(yīng)用-運(yùn)算放大器同時(shí)都達(dá)到最佳。（電壓噪聲、電流噪聲或兩者 卜輸入失調(diào)電壓和漂移、 輸出功率、 同的性能問(wèn)：為什么有這樣多不同類型的運(yùn)算放大器？答：因?yàn)樵诓煌膽?yīng)用中有這樣多的重要參數(shù)，還因?yàn)椴豢赡苁惯@些參數(shù)所以運(yùn)算放大器可以根據(jù)速度、噪聲 偏置電流和漂移及共模電壓范圍進(jìn)行選擇。與電源有關(guān)的其它選擇因素還包括： 功耗、工作電壓、環(huán)境溫度范圍和封裝形式。不同的電路結(jié)構(gòu)和制造工藝可對(duì)不 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。入和差分輸壓增益很 圖如圖問(wèn)：運(yùn)算放大器在結(jié)構(gòu)上有共同點(diǎn)嗎？答：有。大多數(shù)類型（電壓輸入）運(yùn)算放大器都有三級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)是帶有差分輸 出的輸入級(jí)，具有高共模抑制；第二級(jí)是帶有差分輸入和單端輸出

2、的增益級(jí)，電 高，一般具有單極點(diǎn)頻率響應(yīng)；第三級(jí)是輸出級(jí)，通常具有單位電壓增益，結(jié)構(gòu)框4-1所示。商 CMKK單極點(diǎn)頻車響應(yīng)m位電比增益4.1電壓輸入運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)框圖圖41電壓輸入運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)框圖問(wèn)：運(yùn)算放大器在結(jié)構(gòu)上有哪些不同點(diǎn)？。輸入級(jí)幾乎 大器輸入?yún)?電子管圖, 放大器才答：運(yùn)算放大器在基本結(jié)構(gòu)上有許多不同點(diǎn)。最主要的一點(diǎn)是輸入級(jí)的結(jié)構(gòu) 都是長(zhǎng)尾對(duì)結(jié)構(gòu)（一對(duì)放大器接成圖42所示的形式），但器件的選擇對(duì)運(yùn)算放數(shù)的影響至關(guān)重要。為了避免對(duì)某種半導(dǎo)體器件的傾向性，這里給出的是熱陰極 因?yàn)槟壳暗臒犭娮悠骷话愣疾徊捎眉呻娐沸酒瑯?gòu)成輸入級(jí)，而只有單片運(yùn)算 具有由雙極型場(chǎng)效應(yīng)管（FET）構(gòu)成的

3、輸入級(jí)。由雙極型晶體管構(gòu)成的長(zhǎng)尾對(duì)式差分放大器如圖4 3所示。它的主要特點(diǎn)是噪聲很低并且適當(dāng)調(diào)整后失調(diào)電壓也很低。另外，如果輸入級(jí)的失調(diào)電壓調(diào)整到最小，那么一定會(huì)有最 小的失調(diào)漂移。它的主要缺點(diǎn)是受晶體管的發(fā)射極電流和基極電流比例的限制。另外，女0 果發(fā)射極電流對(duì)輸入級(jí)足夠大以便有合適的帶寬，那么基極電流（從而也使偏置電流）也要相當(dāng)圖4.2由粘陰電子匿構(gòu)成的任尾對(duì)”豪分敝大鹽 圖42由熱陰極電子管構(gòu)成的“長(zhǎng)尾對(duì)”差分放大器圖43簡(jiǎn)單的雙極型晶體管構(gòu)成的差分放大10 卩 A）。大（通用運(yùn)算放大器為 501 000 nA，高速運(yùn)算放大器高達(dá)反相輸入端和同相輸入端的偏置電流都是單極性的并且匹配得很好

4、（兩者之差稱作失 調(diào)電流），其中偏置電流較小的一路隨溫度增加而減小。在許多應(yīng)用中，使用精密匹配電阻進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)提高偏置電流。圖44示出一個(gè)偏置電流補(bǔ)償電路， 其中同相輸入端偏置電流經(jīng) 過(guò)電阻RC（稱作偏置補(bǔ)償電阻）°RC用來(lái)補(bǔ)償反相輸入端偏置電流通過(guò)電阻R2時(shí)產(chǎn)生的 壓降。RC的標(biāo)稱值應(yīng)該等于電阻 R1與R2的并聯(lián)值，調(diào)整RC將非零失調(diào)電流引起的誤 差調(diào)至最 小。這種偏置補(bǔ)償僅當(dāng)偏置電流匹配得很好的情況下才是有用的。如果匹配得不好，偏置 補(bǔ)償電阻居然會(huì)引起誤差。如果規(guī)定的雙極型輸入級(jí)沒有這么大的偏置電流，那么運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)者可以采用不同形式的偏置補(bǔ)償（見圖45）。雖然采用相同的長(zhǎng)尾對(duì)

5、，但每個(gè)基極所需要的主要電流都是由 芯片內(nèi)一個(gè)電流源提供a 4-1運(yùn)放大溼入鶴特性比較HTL.iRc-Ri II % 掘空補(bǔ)悄電®（限豈= 1匕£時(shí)有用圖44偏置補(bǔ)償電阻可使偏置電流誤差減至最小凈(KSlUgi -】Gti)圖45偏置補(bǔ)償雙極型輸入級(jí)的。這樣可使外部偏置電流減小到10 nA以下，不影響失調(diào)、溫漂、帶寬或電壓噪聲，而（實(shí)際上, ）。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這兩個(gè) 0P 07就屬于這種結(jié)構(gòu), 15卩V。當(dāng)運(yùn)算放大器產(chǎn)品說(shuō)且偏置電流隨溫度變化很小。這種結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是電流噪聲增加；二是外部偏置電流匹配得不好當(dāng)芯片溫度變化時(shí)，偏置電流可沿相反方向流動(dòng)或改變極性

6、 缺點(diǎn)根本不算毛病。實(shí)際上，一種最常見的低失調(diào)運(yùn)算放大器 同樣0P 27, 0P 37和AD707，它們的失調(diào)電壓都僅為 明中明確給出雙極性偏置電流（例如± 4 OnA）時(shí)，常常認(rèn)為這種類型的放大器是偏置補(bǔ)償 放大器。在甚至幾個(gè)納安（nA）的偏置電流都不允許的情況下，通常用場(chǎng)效應(yīng)管取代雙極型晶體管。在過(guò)去，MOSFET對(duì)運(yùn)算放大器的輸入級(jí)還存在一定的噪聲，盡管現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝正在克服這個(gè)缺點(diǎn)。另外還因?yàn)?MOSFET失調(diào)電壓也相當(dāng)高，所以為了制造高性能低偏置電流的運(yùn) 算放大器，使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 （JFET）作為輸入級(jí)。典型 JFET運(yùn)算放大器輸入級(jí)原理圖如圖 46所示。JFET的偏置電

7、流與流過(guò)器件的電流無(wú)關(guān)，所以甚至寬頻帶JFET放大器可能有很低的偏置 電流（幾十皮安是常見的），而且 AD549在室溫條件下保證偏置電流低于 60 fA（每3卩s 一個(gè)電子）?！霸谑覝亍边@個(gè)條件是很重要的，此時(shí)JFET的偏置電流等于其柵極二極管的反向漏電流 ，而且硅二極圖盅6 JFirr運(yùn)算啟大H輸人統(tǒng)環(huán)as圖46 JFET運(yùn)算放大器輸入級(jí)原理圖管的反向漏電流隨溫度每增加 10° C大約增加一倍。JFET運(yùn)算放大器的偏置電 流隨溫度變 化并不穩(wěn)定。實(shí)際上在25125° C溫度范圍內(nèi)，JFET運(yùn)算放大器的偏置電流能增 加到1 000 倍以上（這對(duì)于MOSFET運(yùn)算放大器同樣適

8、用，因?yàn)槎鄶?shù) MOSFET放大器的偏置電流 等于 其柵極保護(hù)二極管的漏電流 ）。JFET放大器的失調(diào)電壓雖然在制造期間進(jìn)行了調(diào)整，但是最小的失調(diào)不一定對(duì)應(yīng)最小 的溫度漂移。因此，JFET運(yùn)算放大器的電壓失調(diào)和漂移應(yīng)該分別調(diào)整，這樣調(diào)整的結(jié)果要比最佳 雙極型放大器的電壓失調(diào)和漂移數(shù)值稍大一點(diǎn)（最佳JFET運(yùn)算放大器的電壓失調(diào)和漂移典型值分別為250卩V和5卩V/ ° C）。但是ADI公司最近研究出一種新的專利調(diào)整方 法，預(yù)期新一代的JFET運(yùn)算放大器將會(huì)得到極好的結(jié)果。因此我們可以看出，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)電壓漂移、偏置電流、偏置電流漂移 噪聲之間存在著相互權(quán)衡的關(guān)系，而且選擇不

9、同的輸入結(jié)構(gòu)具有不同的輸入特點(diǎn)。表 1比較了三種常見運(yùn)算放大器輸入結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。我們還應(yīng)注意到以 AD705為代表的另一類運(yùn)算放大器，它采用超B雙極型FET（BiFET）工藝，它既具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移，又具有低偏置電流和低偏置電流漂移。問(wèn)：用戶還應(yīng)該了解運(yùn)算放大器哪些其它特性？共模電并且7示出的共答：JFET運(yùn)算放大器常遇到的一個(gè)問(wèn)題是倒相問(wèn)題。如果JFET運(yùn)算放大器的輸入壓太靠近負(fù)電源，那么反相輸入端與同相輸入端的作用顛倒，即負(fù)反饋?zhàn)兂烧答仯?電路可能閂鎖。這種閂鎖不一定具有破壞性，但是要恢復(fù)正常必須關(guān)斷電源。圖4了電路未出現(xiàn)閂鎖情況下的這種倒相作用。使用雙極型放大器或用某種方法限

10、制信號(hào) 模范圍可避免這種倒相問(wèn)題。n單雙®型,F卜yr1輸入圾失調(diào)電壓低低先調(diào)電壓瀑移低中等屮匹配優(yōu)良中等值營(yíng)電建薄務(wù)低低低屮尊表41運(yùn)算放大器輸入級(jí)特性比較簡(jiǎn)單雙極型偏置補(bǔ)償雙 極型FET輸入級(jí)失調(diào)電壓失調(diào)電壓漂移偏置電流偏置匹配偏置電流漂移噪聲低低高優(yōu)良低低低低中差（電流可反向）低低中等中等低-很低中等每增加10° C偏流加倍中等JFET運(yùn)算放大7V更負(fù)，那么 些擴(kuò)散電源電如果在接通電源電壓之前對(duì)運(yùn)算放大器加輸入信壓。號(hào),電 現(xiàn) 電團(tuán)4. 7當(dāng)輸入檢近負(fù)電電壓時(shí)出現(xiàn)的僧圖47當(dāng)輸入接近負(fù)電源電壓時(shí)出現(xiàn)的倒相如果輸入信號(hào)比相應(yīng)的運(yùn)算放大器的電源電壓更正或更負(fù)，那么在雙極型

11、和器中都會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的閂鎖。 如果輸入端比+VS+O 7V更正或者比-VS-0 電流可能流過(guò)通常被偏置截止的二極管。這樣同樣可以導(dǎo)通由這個(gè)運(yùn)算放大器的某 作用形成的晶閘管（SCR），使電源短路從而使器件損壞。為了避免這種破壞性閂鎖現(xiàn)象，重要的是防止運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端電壓超過(guò)在器件導(dǎo)通期間可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果：那么當(dāng)接通電源時(shí)可能立即損壞運(yùn)算放大器。不論什么時(shí)候出現(xiàn)危險(xiǎn)，不論是超過(guò)電源 壓，也不論是運(yùn)算放大器接通電源之前加輸入信號(hào)，處于危險(xiǎn)狀態(tài)的兩個(gè)輸入端為防止出閂鎖，都應(yīng)該用二極管箝位（最好使用快速、低正向電壓的肖特基二極管 ）。為防止二極管 流過(guò)大還需要接限流電阻（見圖48）。防止閂頓保護(hù)電路圖48防止閂鎖保護(hù)電路這個(gè)保護(hù)電路本身也會(huì)帶來(lái)