关于运算放大器的疑问解答

2013年9月30日 22:28
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问:运算放大器为什么有这么多不同的型号?

       答:因为存在着许多在不同应用中有重要意义的参数,而且由于所有这些参数不能同时加以优化的缘故。可以针对速度、噪声(电压、电流或二者)、输入失调电压及漂移、偏置电流及漂移、共模范围等来选择运算放大器,其它因素可能包括功率(输出、损耗或电源)、环境温度范围以及封装。不同的电路结构设计和制造工艺可以优化不同的性能参数。

 问:在一些运算放大器的设计中存在任何共同的要素吗?

       答:是的。大多数传统(电压输入)的运算放大器都是**器件,包括一级带有差动输入和差动输出的输入级—具有很好的共模抑制特性;后面是有很高电压增益以及(一般地)一个单极点频率响应的差动输入、单端输出的输出级;最后是一级通常为单位电压增益的输出级。

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\  问:那么差别在什么地方?

       答:在这个基本设计上存在很多可能的变化,最基本的一点就是输入级的结构,这一级几乎总是一个差动放大器,也就是说,像下图中那样连接的一对放大器件。但是器件的选择对运算放大器的输入参数有着深远的影响。单片运算放大器具有用双极或场效应晶体管组合成的输入级。

       用双极晶体管组合成的差动放大器如下图所示。其显著特点是它的低噪声,以及通过适当的修正而有很低的电压失调。此外,如果修正上述这一级以使失调电压为最小,那么它将固有最小的失调漂移。其主要缺点是由晶体管的射极和基极电流的比例造成的;如果为了使这一级有适当的带宽而使射极电流足够大,则基极电流—从而偏置电流将相对较大(在通用运算放大器中为50~1000nA,在高速运算放大器中高达10μA)。

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       反相和同相输入端的偏置电流是单向的,并且匹配良好(它们的差被称为失调电流),它们随着温度的升高略有降低。在很多应用中,对于那些偏置电流绝对值很大的情形,可以利用精确地匹配来补偿。下面表示的是一个基极补偿电路,其中同相输入端中的偏置电流流入RC(称为偏置补偿电阻);它补偿由于反相输入端的偏置电流流过R2而产生的电压降。名义上让RC等于R1和R2的并联组合,通过修正它可以使由失调电流不为零而引起的误差减至最小。

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      这种偏置补偿只有当偏置电流匹配得很好时才是有用的,如果它们匹配得不好,偏置补偿电阻实际上可能会引入误差。

       如果要求双极输入级没有这样一种大偏置电流的缺陷,可以靠芯片设计者采用不同的偏置补偿方式来实现(下图)。利用同样的差动放大器,但是每个基极所需要的电流的主要部分,由芯片上的电流产生器来提供。这样可以把外部的偏置电流降低到10nA或更低而不影响失调、温度漂移、带宽或电压噪声,偏置电流随温度的变化也相当低。

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      这样的结构存在两个缺点:增加了电流噪声,并且外部偏置电流不能很好地匹配(的确,实际上它们可能以相反的方向流动,或者随着芯片温度的变化而改变极性)。对于很多应用来说,这些特性是没有缺点的。确实,一种最流行的低失调运算放大器,比如OP-07,采用的正是这样一种结构。像采用这种结构的OP-27、OP-37以及AD707等具有可保证的失调电压仅15μV。当这种型号的偏置补偿放大器的数据表明确地给出双极性偏置电流,比如为±4.0nA时,它们通常是可看得出的。

       在那些即使几纳安(毫微安)的偏置电流也是不能接受的地方,通常要用场效应器件代替双极晶体管。过去,MOSFET管用于运算放大器的输入级多少有点噪声干扰,不过现代工艺技术正在克服这个缺点。由于MOSFET也往往会引起比较高的失调电压,所以对于高性能的低偏置电流运算放大器应采用结型FET(JFET)管。典型的JFET运算放大器的输入级如下 图所示。

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       JFET的偏置电流与流入器件的电流没有关系,所以即使宽带JFET放大器也可以有非常低的偏置电流-几十皮安(微微安)的值是很平常的。而AD549在室温下有低于60fA(每三微秒一个电子)的可保证的偏置电流。

       “在室温下”这个限定条件是很关键的-JFET的偏置电流是它的栅极二极管的反向漏电流,而硅二极管的反向漏电流大约温度每上升10℃增长一倍。因此,JFET运算放大器的偏置电流对温度是不稳定的。的确,在25℃和125℃之间,JFET运算放大器的偏置电流增长超过1000倍,由于大多数MOSFET放大器的偏置电流是它们栅极保护二极管的漏流,所以同样的规律也适用于MOSFET放大器。

       JFET放大器的失调电压在制造期间可以进行修正,但是最小失调未必与最小漂移相对应。在JFET运算放大器中,有必要分别调整失调和漂移,其结果导致电压失调和漂移的值比由最好的双极放大器可获得的更大一些(最好的JFET运算放大器的典型值为250μV和5μV/℃)。然而,模拟器件公司新近的研究得出一种专利的修正的方法,用这种方法预期在下一代JFET运放中可给出好得多的失调及漂移值。

       这样,我们就应设法在运算放大器的失调电压、失调漂移、偏置电流、偏置电流随温度的变化以及噪声之间折衷选择,而不同的结构可以优化不同的特性。下表把三种最普通的运放结构作了比较,我们还应该注意一种新型的AD705所代表的运放,它使用的是双极型超β输入晶体管,它兼备了低失调电压和低偏置电流及其漂移的特性。

       运算放大器输入级的特性

       简单的双极型 偏置补偿双极型 FET

       失调电压 低 低 适中

       失调漂移 低 低 适中

       偏置电流 高 适中 低—非常低

       偏置匹配 极好 差(电流可能反向)中等

       偏置/温度变化低 低 每上升10℃偏置电流加倍

       噪声 低 低 中等

\ 问:使用者还应了解哪些其它特性?

       答:JFET运算放大器遇到的一个共同问题是相位反转。如果JFET运算放大器的输入共模电压太靠近负电源,则反相和同相输入端的功能颠倒。负反馈变成正反馈而电路可能闭锁。闭锁未必能损坏,但必须要关断电源以便排除它。下图表示的是这种相位反转在没有发生闭锁电路中的影响。可以通过采用双极放大器或者用某种方法**信号的共模范围等手段来避免这类问题。

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       闭锁更严重的形式可能出现在既有双极型又有JFET的运算放大器中,只要输入信号变得比相应运放电源更正或更负。如果输入端处于比+Vs+0.7V更正或比-VS-0.7V更负,电流可能流入二极管中,这通常会使偏置截止。可能会依次打开由运算放大器中的某些扩散工艺形成的晶闸管(SCR),造成电源短路并损坏器件。

       为了避免出现这种有害的闭锁现象,重要的是使运算放大器的输入端不要经常超过电源电压。在器件开通期间,这一点可能具有重要的意义:如果在给运算放大器供电以前,就把信号加到运放上,那么当加上电源时,运放可能马上损坏。所以,或者任一端的信号超过电源上的电压,或是在运放的电源加上之前信号就已存在,每当存在这种危险时,就应当使用二极管(最好是快速的低前向电压的肖特基二极管)对危险的那端加以箝位,以防止闭锁的产生。还需要采用电流**电阻以防止二极管电流过大(见图)。

       这种保护电路可能引起它固有的问题,二极管中的漏电流可能影响电路的误差预算(如果使用玻封二极管,只要曝露在荧光环境的灯光下,由于光电放应,其漏电流可能被调制成100或120Hz。这样,除了直流漏电流以外,还产生交流声);限流电阻中的约翰逊噪声能使电路的噪声特性恶化;而流到电阻中的偏置电流可能引起失调电压的明显增加,所以当设计这种保护电路时,所有这些影响必须考虑。

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