运算放大器工作原理Word文件下载.docx
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第三类是采用全MOS场效应管工艺的模拟数字混合运算放大器,采用所谓斩波稳零技术,主要用于改善直流信号的处理精度,输入失调电压可以达到0.01uV,温度漂移指标目前可以达到0.02ppm。
在处理直流信号方面接近理想运放特性。
它的典型开环输入阻抗在10^12欧姆数量级。
典型产品是ICL7650。
1.2.按照功能/性能分类
本分类方法参考了《中国集成电路大全》集成运算放大器。
按照功能/性能分类,模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放,另外还有一些特殊运放,例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。
实际上由于为了满足应用需要,运放种类极多。
本文以上述简单分类法为准。
需要说明的是,随着技术的进步,上述分类的门槛一直在变化。
例如以前的LM108最初是归入精密运放类,现在只能归入通用运放了。
另外,有些运放同时具有低功耗和高输入阻抗,或者与此类似,这样就可能同时归入多个类中。
通用运放实际就是具有最基本功能的最廉价的运放。
这类运放用途广泛,使用量最大。
低功耗运放是在通用运放的基础上大降低了功耗,可以用于对功耗有限制的场所,例如手持设备。
它具有静态功耗低、工作电压可以低到接近电池电压、在低电压下还能保持良好的电气性能。
随着MOS技术的进步,低功耗运放已经不是个别现象。
低功耗运放的静态功耗一般低于1mW。
精密运放是指漂移和噪声非常低、增益和共模抑制比非常高的集成运放,也称作低漂移运放或低噪声运放。
这类运放的温度漂移一般低于1uV/摄氏度。
由于技术进步的原因,早期的部分运放的失调电压比较高,可能达到1mV;
现在精密运放的失调电压可以达到0.1mV;
采用斩波稳零技术的精密运放的失调电压可以达到0.005mV。
精密运放主要用于对放大处理精度有要求的地方,例如自控仪表等等。
高输入阻抗运放一般是指采用结型场效应管或是MOS管做输入级的集成运放,这包括了全MOS管做的集成运放。
高输入阻抗运放的输入阻抗一般大于109欧姆。
作为高输入阻抗运放的一个附带特性就是转换速度比较高。
高输入阻抗运放用途十分广泛,例如采样保持电路、积分器、对数放大器、测量放大器、带通滤波器等等。
高速运放是指转换速度较高的运放。
一般转换速度在100V/us以上。
高速运放用于高速AD/DA转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘法器、机密比较器、视频电路中。
目前最高转换速度已经可以做到6000V/us。
宽带运放是指-3dB带宽(BW)比通用运放宽得多的集成运放。
很多高速运放都具有较宽的带宽,也可以称作高速宽带运放。
这个分类是相对的,同一个运放在不同使用条件下的分类可能有所不同。
宽带运放主要用于处理输入信号的带宽较宽的电路。
高压运放是为了解决高输出电压或高输出功率的要求而设计的。
在设计中,主要解决电路的耐压、动态范围和功耗的问题。
高压运放的电源电压可以高于±
20VDC,输出电压可以高于±
20VDC。
当然,高压运放可以用通用运放在输出后面外扩晶体管/MOS管来代替。
2.运放的主要参数
本节以《中国集成电路大全》集成运算放大器为主要参考资料,同时参考了其它相关资料。
集成运放的参数较多,其中主要参数分为直流指标和交流指标。
其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂)、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。
主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。
2.1直流指标
输入失调电压VIO:
输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时,两个输入端之间所加的补偿电压。
输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电压越小。
输入失调电压是运放的一个十分重要的指标,特别是精密运放或是用于直流放大时。
输入失调电压与制造工艺有一定关系,其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入失调电压在±
1~10mV之间;
采用场效应管做输入级的,输入失调电压会更大一些。
对于精密运放,输入失调电压一般在1mV以下。
输入失调电压越小,直流放大时中间零点偏移越小,越容易处理。
所以对于精密运放是一个极为重要的指标。
输入失调电压的温度漂移(简称输入失调电压温漂)αVIO:
输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内,输入失调电压的变化与温度变化的比值。
这个参数实际是输入失调电压的补充,便于计算在给定的工作范围内,放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
一般运放的输入失调电压温漂在±
10~20μV/℃之间,精密运放的输入失调电压温漂小于±
1μV/℃。
输入偏置电流IIB:
输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时,其两输入端的偏置电流平均值。
输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。
输入偏置电流与制造工艺有一定关系,其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入偏置电流在±
10nA~1μA之间;
采用场效应管做输入级的,输入偏置电流一般低于1nA。
输入失调电流IIO:
输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时,其两输入端偏置电流的差值。
输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电流越小。
输入失调电流是运放的一个十分重要的指标,特别是精密运放或是用于直流放大时。
输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。
输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响,特别是运放外部采用较大的电阻(例如10k?
或更大时),输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。
输入失调电流越小,直流放大时中间零点偏移越小,越容易处理。
输入失调电流的温度漂移(简称输入失调电流温漂):
输入偏置电流的温度漂移定义为在给定的温度范围内,输入失调电流的变化与温度变化的比值。
这个参数实际是输入失调电流的补充,便于计算在给定的工作范围内,放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出,而且是在用以直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。
差模开环直流电压增益:
差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时,运放输出电压与差模电压输入电压的比值。
由于差模开环直流电压增益很大,大多数运放的差模开环直流电压增益一般在数万倍或更多,用数值直接表示不方便比较,所以一般采用分贝方式记录和比较。
一般运放的差模开环直流电压增益在80~120dB之间。
实际运放的差模开环电压增益是频率的函数,为了便于比较,一般采用差模开环直流电压增益。
共模抑制比:
共模抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放差模增益与共模增益的比值。
共模抑制比是一个极为重要的指标,它能够抑制差模输入==模干扰信号。
由于共模抑制比很大,大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多,用数值直接表示不方便比较,所以一般采用分贝方式记录和比较。
一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。
电源电压抑制比:
电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放输入失调电压随电源电压的变化比值。
电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。
目前电源电压抑制比只能做到80dB左右。
所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时,运放的电源需要作认真细致的处理。
当然,共模抑制比高的运放,能够补偿一部分电源电压抑制比,另外在使用双电源供电时,正负电源的电源电压抑制比可能不相同。
输出峰-峰值电压:
输出峰-峰值电压定义为,当运放工作于线性区时,在指定的负载下,运放在当前大电源电压供电时,运放能够输出的最大电压幅度。
除低压运放外,一般运放的输出输出峰-峰值电压大于±
10V。
一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压,这是由于输出级设计造成的,现代部分低压运放的输出级做了特殊处理,使得在10k?
负载时,输出峰-峰值电压接近到电源电压的50mV以内,所以称为满幅输出运放,又称为轨到轨(raid-to-raid)运放。
需要注意的是,运放的输出峰-峰值电压与负载有关,负载不同,输出峰-峰值电压也不同;
运放的正负输出电压摆幅不一定相同。
对于实际应用,输出峰-峰值电压越接近电源电压越好,这样可以简化电源设计。
但是现在的满幅输出运放只能工作在低压,而且成本较高。
最大共模输入电压:
最大共模输入电压定义为,当运放工作于线性区时,在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。
一般定义为当共模抑制比下降6dB是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。
最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围,在有干扰的情况下,需要在电路设计中注意这个问题。
最大差模输入电压:
最大差模输入电压定义为,运放两输入端允许加的最大输入电压差。
当运放两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入电压时,可能造成运放输入级损坏。
2.2主要交流指标
开环带宽:
开环带宽定义为,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db(或是相当于运放的直流增益的0.707)所对应的信号频率。
这用于很小信号处理。
单位增益带宽GB:
单位增益带宽定义为,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db(或是相当于运放输入信号的0.707)所对应的信号频率。
单位增益带宽是一个很重要的指标,对于正弦小信号放大时,单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积,换句话说,就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后,可以计算出单位增益带宽,用以选择合适的运放。
这用于小信号处理中运放选型。
转换速率(也称为压摆率)SR:
运放转换速率定义为,运放接成闭环条件下,将一个大信号(含阶跃信号)输入到运放的输入端,从运放的输出端测得运放的输出上升速率。
由于在转换期间,运放的输入级处于开关状态,所以运放的反馈回路不起作用,也就是转换速率与闭环增益无关。
转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标,对于一般运放转换速率SR<
=10V/μs,高速运放的转换速率SR>
10V/μs。
目前的高速运放最高转换速率SR达到6000V/μs。
这用于大信号处理中运放选型。
全功率带宽BW:
全功率带宽定义为,在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端,使运放输出幅度达到最大(允许一定失真)的信号频率。
这个频率受到运放转换速率的限制。
近似地,全功率带宽=转换速率/2πVop(Vop是运放的峰值输出幅度)。
全功率带宽是一个很重要的指标,用于大信号处理中运放选型。
建立时间:
建立时间定义为,在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个阶跃大信号输入到运放的输入端,使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时间。
由于是阶跃大信号输入,输出信号达到给定值后会出现一定抖动,这个抖动时间称为稳定时间。
稳定时间+上升时间=建立时间。
对于不同的输出精度,稳定时间有较大差别,精度越高,稳定时间越长。
建立时间是一个很重要的指标,用于大信号处理中运放选型。
等效输入噪声电压:
等效输入噪声电压定义为,屏蔽良好、无信号输入的的运放,在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。
这个噪声电压折算到运放输入端时,就称为运放输入噪声电压(有时也用噪声电流表示)。
对于宽带噪声,普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。
差模输入阻抗(也称为输入阻抗):
差模输入阻抗定义为,运放工作在线性区时,两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。
差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容,在低频时仅指输入电阻。
一般产品也仅仅给出输入电阻。
采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧;
场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于109欧。
共模输入阻抗:
共模输入阻抗定义为,运放工作在输入信号时(即运放两输入端输入同一个信号),共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。
在低频情况下,它表现为共模电阻。
通常,运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多,典型值在108欧以上。
输出阻抗:
输出阻抗定义为,运放工作在线性区时,在运放的输出端加信号电压,这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。
在低频时仅指运放的输出电阻。
这个参数在开环测试。
3.运算放大器的对信号放大的影响和运放的选型
由于运算放大器芯片型号众多,即使按照上述办法分类,种类也不少,细分就更多了,这对于初学者就难免犯晕。
本节力求通过几个实际电路的分析,明确运算放大器的对信号放大的影响,最后总结如何选择运放。
CA3140的主要指标为:
项目单位参数
输入失调电压μV5000
输入失调电压温度漂移μV/℃8
输入失调电流pA0.5
输入失调电流温度漂移pA/℃0.005
这样可以计算出,在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下:
输入失调电压造成的误差μV5000
输入失调电流造成的误差μV0.0045
合计本项误差为μV5000
输入信号200mV时的相对误差%2.5
输入信号100mV时的相对误差%5
输入信号25mV时的相对误差%20
输入信号10mV时的相对误差%50
输入信号1mV时的相对误差%500
初步结论是:
高阻运放的输入失调电流很小,它造成的误差远远不及输入失调电压造成的误差,可以忽略;
而输入失调电压造成的误差仍然不小,但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。
这样可以计算出,0~25℃的温度漂移造成的影响如下:
输入失调电压温漂造成的误差μV200
输入失调电流温漂造成的误差μV0.001
合计本项误差为μV200
输入信号200mV时的相对误差%0.1
输入信号100mV时的相对误差%0.2
输入信号25mV时的相对误差%0.8
输入信号10mV时的相对误差%2
输入信号1mV时的相对误差%20
高阻运放的输入失调电流温漂很小,它造成的误差远远不及输入失调电压温漂造成的误差,可以忽略;
在使用高阻运放时,由于失调电压温度系数较大,造成的影响较大,使得它不适合放大100mV以下直流信号。
若以上两项误差合计将更大。
由于高阻运放的输入失调电流只有通用运放的千分之一,因此若其它条件不变,仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,几乎不会造成可明显察觉的误差。
HA5159的主要指标为:
输入失调电压μV10000
输入失调电压温度漂移μV/℃20
输入失调电流nA6
输入失调电流温度漂移pA/℃60
输入失调电压造成的误差μV10000
输入失调电流造成的误差μV54.5
合计本项误差为μV10054
输入信号200mV时的相对误差%5.0
输入信号100mV时的相对误差%10.1
输入信号25mV时的相对误差%40.2
输入信号10mV时的相对误差%100.5
输入信号1mV时的相对误差%1005
输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大,但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。
其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。
输入失调电压温漂造成的误差μV500
输入失调电流温漂造成的误差μV13.6
合计本项误差为μV513
输入信号200mV时的相对误差%0.3
输入信号100mV时的相对误差%0.51
输入信号25mV时的相对误差%2.05
输入信号10mV时的相对误差%5.14
输入信号1mV时的相对误差%51.4
在使用高速运放时,由于失调电压温度系数较大,造成的影响较大,使得它不适合放大100mV以下直流信号。
若其它条件不变,仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,造成误差如下:
输入失调电流造成的误差μV109
合计本项误差为μV10109
输入失调电流温漂造成的误差μV27.3
合计本项误差为μV527
初步结论:
仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍,运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变,而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。
所以,对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时,输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加,甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差,所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。
低功耗运放LF441的主要指标为:
输入失调电压μV7500
输入失调电压温度漂移μV/℃10
输入失调电流nA1.5
输入失调电流温度漂移pA/℃15
输入失调电压造成的误差μV7500
输入失调电流造成的误差μV13.6
合计本项误差为μV7513
输入信号200mV时的相对误差%3.8
输入信号100mV时的相对误差%7.5
输入信号25mV时的相对误差%30.1
输入信号10mV时的相对误差%75.1
输入信号1mV时的相对误差%751
输入失调电压温漂造成的误差μV250
输入失调电流温漂造成的误差μV3.4
合计本项误差为μV253
输入信号100mV时的相对误差%0.25
输入信号25mV时的相对误差%1.01
输入信号10mV时的相对误差%2.53
输入信号1mV时的相对误差%25.3
输入失调电流造成的误差μV27.3
合计本项误差为μV7527
输入失调电流温漂造成的误差μV6.8
合计本项误差为μV257
精密运放OP07D的主要指标为: