毕业设计（论文）-非理想集成运放的性能参数对应用电路影响的探讨与分析.doc

学士毕业论文 非理想集成运放的性能参数对应用电路影响的探讨与分析学士学位论文 非理想集成运放的性能 参数对应用电路影响的探讨与分析系 别: 电子信息系 专 业: 电子信息工程 学 号: 姓 名: 指 导 教 师: 指导教师职称: 教 授 2012年非理想集成运放的性能参数对应用电路影响的探讨与分析摘要 集成运放广泛应用于模拟集成电路中，但集成运放实际上是非理想的，会对应用电路产生一定的影响。本论文采用了分类讨论的分析方法，对非理想集成运放的性能参数，以及非理想集成运放的性能参数对不同应用电路的影响进行了探讨与分析。首先介绍了集成运放的概况，包括集成运放的基本概念、内部结构、应用前景、发展概况。然后探讨与分析了非理想集成运放的常见性能参数，包括常见性能参数的基本定义，通常的取值，并详细介绍了它们的等效模型。接着详细探讨与分析了直流和低频参数对应电路性能的影响。最后探讨与分析了高频参数对应用电路性能的影响。 关键词 集成运放；性能参数；应用电路；低频参数；高频参数the discussion and analysis of performce parameters of the non-ideal integrated operational amplifier on the impact of the application cirucitabstract the integrated operational amplifier is widely used in analog integrated circuit，but in fact it is non-ideal. the non-ideal property will affect the application circuit. this paper uses the analysis method of classification to discuss the performance parameters of the non-ideal integrated operational amplifier, and the impact of performance parameters of the non-ideal integrated operational amplifier on different application circuit. first, this paper introduces the overview of the integrated operational amplifier, including integrated operational amplifier of the basic concept, internal structure, future prospect, development overview. second, discussion and analysis of some common performance parameters, including the common performance parameters of the basic definition, the value, and introduces their equivalent model in detail. at last, this paper discusses and analyses the influence to the performance of the application circuit by dc, low-frequency parameters and high-frequency parameters.keywords operational amplifier ；performance parameters ；the appplication circuit； high-frequency parameters ；low-frequency parameters 1引言 集成运算放大器(以下简称为集成运放)作为一种通用模拟器件已显示出越来越大的用途,其性能也不断趋于完善。由于这种放大器以前只在模拟计算机中用于诸如加、减法和微、积分之类的数学运算，故得名为“集成运算放大器”。集成运放自20世纪60年代问世以来，飞速发展，目前已经历了四代产品。 第一代产品基本沿用了分立元件放大电路的设计思想，采用了集成数字电路的制造工艺，利用了少量横向pnp管，构成以电流源作为偏置电路的三级直接耦合放大电路。但是，它各方面性能都远远优于分立元件电路，满足了一般应用的要求。典型产品有a709，国产的f003、5g23等。 第二代产品普遍采用了有源负载，简化了电路的设计，并使开环增益有了明显的提高，各方面性能指标比较均衡，因此属于通用型运放，应用非常广泛。典型产品有a741、lm324，国产的f007、f324、5g24等。 第三代产品的输入级采用了超管，值高达10005000倍，而且版图设计上考虑了热效应的影响，从而减小了失调电压、失调电流及它们的温漂，增大了共模抑制比和输入电阻。典型产品有ad508、mc1556、f030等。 第四代产品采用了斩波稳零和动态稳零技术，使各性能指标参数更加理想化，一般情况下不需调零就能正常工作，大大提高了精度。典型产品有ha2900、sn62088，国产的5g7650等1。 根据性能和应用场合的不同，集成运放可以分为通用型和专用型。通用型集成运放的各种性能指标比较均衡全面，适用于一般工程的要求。为了满足一些特殊要求，目前制造出具有特殊功能的专用型集成运放，可分为高输入电阻、低漂移、低噪声、高精度、高速、带宽、低功耗、高压、大功率、仪用型、程控型和互导型等。 随着集成电路制造工艺和电路设计技术的发展，集成运放正向超高精度、超高速、超宽带和多功能方向发展。一些性能较低的产品已被淘汰，新品种层出不穷2。 在模拟集成电路中，集成运放的应用最为广泛，几乎涉及到模拟信号处理的各个领域。集成运放，作为一个实际器件，它实际上是一个直接耦合的高增益多级放大器，通常由输入级、中间级、输出级及偏置电路组成。输入级：通常由双输入差分放大电路构成。主要作用是提高抑制共模信号能力，提高输入电阻。中间级：带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提高电压增益。输出级：采用互补对称功放或射极输出器组成，主要是降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路：通常由组合电流源构成，主要是供给中间级的偏置电流和输出级的偏置电流。在体积小的条件下，为了降低功耗以限制温升，必须减小各级的静态工作电流，故集成运放通常采用微电流源电路。以f007集成运算放大器为例，具体内部电路如图13所示。 图1 f007集成运算放的内部电路 集成运放的引出端子除了两个输入端和一个输出端外，一般还有两个电源端子，分别接正负极性的电源电压；调零端子，接调零电路；相位补偿端子，接相位补偿电路；公共接地端子及其他附加的端子4。 集成运放总是以直接耦合放大器的形式出现，具有很高的电压增益、输入电阻和很低的输出电阻。集成运放是性能十分理想的增益器件，在讨论各种功能电路的组成原理时，可以用理想化条件进行分析，就是把实际的运算放大器的各项性能参数进行理想化后得到的运算放大器。其主要参数为： 差模电压增益差模输入电阻共模抑制比输出电阻频带宽度另外，还有趋于零的失调和漂移，趋于零的噪声等。 但是，集成运放毕竟是非理想的。在直流和低频工作时，不仅其增益和输入电阻不为无穷大，输出电阻不为零，而且还存在着输入失调和有限共模抑制比等引入的输入误差。所以，在分析集成运放的性能参数对各种应用电路的影响时，必须计及集成运放实际性能的影响，把集成运放当做是非理想集成运放来处理5。下面我们首先来探讨非理想集成运放的常见性能参数。2 非理想集成运放的性能参数 评价非理想集成运放的性能参数很多，根据电子线路的知识，大体上可以分为五大类：差模特性、共模特性、输入直流误差特性、大信号动态特性、电源特性。现在分别介绍如下：2.1 差模特性差模特性是指非理想集成运放在差模输入信号作用下所呈现的特性，相应的电路模型如图2所示。图中，为差模电压增益，定义为输出开路电压对输入差模电压的比值，用分贝数表示，即 (2-1) 其值在之间。 图 2 表示差模特性的电路模型 为差模输入电阻，是指集成运放两输入端之间呈现的视在电阻，其值在量级。mos集成运放的可高达。为输出电阻，其值一般小于200。一般情况下，以上各参数均是频率的复函数，分别表示为。 此外，还有最大差模输入电压范围，它是指输入差分对管发射结不产生反向击穿所能承受的最大差模输入电压。2.2 共模特性 共模特性是指集成运放共模输入信号作用下呈现的特性。属于这类特性的参数主要是共模抑制比、共模输入电阻和最大共模输入电压范围，计及共模参数后，集成运放的电路模型如图3所示。图3 共模、差模输出端等效模型(a)及共模、差模输入端等效模型(b)图3中为共模输入电压，是集成运放的共模电压增益。由于,因而，共模输出电压为，如图3（）所示。也可以将共模输出电压折算到输入端，作为输出误差电压，其值为，如图3（）所示。 共模抑制比一般用分贝值表示，即，其值在（倍）之间。 共模输入电阻是非理想集成运放输入端对共模输入信号呈现的视在电阻，即每个输入端对地呈现的输入电阻，其值大于。 一般情况下，、均为频率的复函数。 2.3 输入直流误差特性 输入直流误差特性是指非理想集成运放的输入失调特性。其主要参数是输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂。计及上述参数后，非理想集成运放的电路模型如图4所示。图4 非理想集成运放的电路模型 图4中是输入差放级两边输入偏置电流（和）的平均值。其值为（10100）a，采用mos管输入级的非理想集成的运放，在pa量级。 是指输出失调电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压，其值一般为mv量级，最低可小到1，对于采用mos管输入级的运放来说，其值较大，最大可达到20mv。 是指随温度的变化率。其值一般小于/，最小可达到o.1v/。 是指输出失调电压为零时，两输入端所加的补偿电流，其值即为两输入偏置电流的差值，即。通常为的（51o）%。 是指随温度的变化率。2.4 大信号动态特性 大信号动态特性是指非理想集成运放在大输入信号作用下呈现的动态特性。其主要参数是转换速率，全功率带宽等。和是大信号和高频信号工作时的重要指标。2.4.1 转换速率非理想集成运放的转换速率（又称摆率）是指非理想集成运放输出电压随时间的最大变化速率，即 (2-2)表示非理想集成运放对信号变化的速度的适应能力，是衡量非理想集成运放在大幅值信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当输入信号变化斜率的绝对值小于时，输出电压才能按线性规律变化。信号幅值越大、频率越高，要求非理想集成运放的也就越大。一般通用型运放在1v/s以下，741的=0.5v/s，而高速运放要求30v/s以上。目前超高速的运放如ad9610的3500v/s6。 非理想集成运放的频率响应和瞬态响应在大信号时与小信号时有很大的差别。在大信号输入时，特别是大的阶跃信号加入时，运放将工作到非线性区域，通常它的输入级会产生瞬时饱和或截止现象。从频率范围来看，这将使大信号频带宽度总要比小信号时窄；而从瞬态响应来看，将使放大电路的输出电压不能及时地跟随输入阶跃电压变化。输出电压变化如图5所示，这就踢出来转换速率的问题。由于转换速率与闭环电压增益有关，因此，一般规定非理想集成运放在单位电压增益、单位时间内输出电压的变化值，来标定转换速率。图5 输出电压波形受转换速率限制的情况 转换速率的大小与许多因素有关，其中主要是与非理想集成运放所加的补偿电容，非理想集成运放本身各级bjt的极间电容、杂散电容，以及放大电路提供的充电电流等因素有关。在输入大信号的瞬变过程中，输出电压只有在电路的电容被充电后才随输入电压作线性变化，通常要求非理想集成运放的大于信号变化速率的绝对值。 如在非理想集成运放的输入端加一正弦电压,输出电压。输出电压的最大变化速率为 (2-3) 为了输出电压波形不因的限制而产生失真，必须使非理想集成运放的为 (2-4)式(2-4)表明，当一定时，提高频率f,则将成比例地减小，反之，越小，保证不失真输出的信号频率f就相应成比例地增大7。图6 非理想集成运放的简化模型 根据图6所示非理想集成运放的简化模型，输出电压与输入差放级电流之间的关系为 (2-5)或者 (2-6) 式(2-6)表明，当一定时，非理想集成运放的转换速率取决于的最大值。在输入差分级中，当足够大，导致差分对管中的一管截止，偏置电流源电流全部流入另一管时，等于+或-，因而 (2-7) 通过上述分析可见，非理想集成运放输出电压的最大变化率受到转换速率的限制，其原因就在于补偿电容的充、放电速率受到输入差放级能够提供的最大电流的限制。2.4.2 全功率带宽 全功率带宽是指非理想集成运放输出最大峰值电压时，允许的最高频率，即 (2-8)式(2-8)表明非理想集成运放输出不失真的最大电压幅度受和的限制。以741型非理想集成运放为例，=0.5v/s,当输出电压幅值=10v时，它的即最大不失真频率应为8khz。2.5电源特性2.5.1 电源电压抑制比是用来衡量电源电压波动对输出电压的影响，通常定义为 (2-9)式(2-9)中表示电源电压变化时，引起输出电压变化折合到输入端的失调电压。的典型值一般为。2.5.2 静态功率 当输入信号为零时，非理想集成运放消耗的总功率，即 (2-10)电源特性还包括电源电压范围、电源电流等8。3 直流和低频参数对应用电路性能的影响3.1 、为有限值的影响以图7（a）所示的反相放大器为例，引入图4所示非理想集成运放的电路模型，得到如图7（b）所示的等效电路。(a)(b)(c)图7 反相放大器（a）及其等效电路（b）与（c）由图7(b)写出下列节点方程: (3-1)根据式(3-1)求解，得 (3-2) (3-3) 故反相放大器的增益为 (3-4) 式(3-2)与式(3-3)表明，图4所示的非理想集成运放的电路模型过于复杂，不适宜工程分析。而实际情况是，应用场合不同，各种性能参数的影响也不同。例如，反向放大器，由于,又很小，因而可以认为共模输入电压趋于零，不必考虑共模抑制比的影响；而同相放大器就不同了，它的和均不为零，共模抑制比的影响就必须考虑。又如，积分电路中，输入失调参数的影响十分重要，因为它在积分过程中产生的输出误差电压将随时间线性增大。总之，在工程分析时，可以针对不同的应用场合，有选择地探讨与分析某些性能参数对应用电路性能的影响。对于图7(b)所示的等效电路，如果忽略、，则等效电路如图7（c）所示，式（3-1）转化为 (3-5)根据式(3-5)求解，得 (3-6) (3-7)故 (3-8) 并在满足的条件下，反相放大器的增益为 (3-9) 式(3-6)，(3-7)，(3-8)与式(3-9)中，。 式(3-9)表明，当、和为有限值时，反相放大器的增益与理想值之间的偏差与的大小密切相关。越大，就越趋近于理想值。实际上，从反馈观点来看，越大，放大器就越接近深度负反馈，也就越接近，同时，放大器的输入电阻和输出电阻也就越趋于零。在这种情况下，由信号源看进去的输入电阻即为外接电阻。 可见，对反相放大器性能影响最大的是。相比之下，和的影响是次要的。因此，要减小误差、实现高精度的放大，关键是选用足够大的非理想集成运放。3.2 、为有限值的影响以图8（a）所示的同相放大器为例，引入图4所示的非理想集成运放的电路模型，得到如图8（b）所示的等效电路。如果忽略、，则等效电路如图8（c）所示。(a)(b)(c)图8 同相放大器（a）及其等效电路（b)与（c）通常满足，则由图8(c)可见， (3-10)且，。由于十分接近于，因而可以近似认为，则 (3-11)进一步求得 (3-12) 式(3-12)中，是同相放大器的理想增益值，而 (3-13)是计及有限值的同相放大器增益，它与理想值之间的偏差取决于对的比值。越大，偏差值就越小。显然，这与深度负反馈的条件是一致的。式(3-12)表明，由产生的输出误差电压 (3-14)输出相对误差电压为 (3-15)由式(3-15)可见，由引起的相对偏差与成反比。越大，偏差值就越小。实践上，根据允许的相对偏差，按上式选用满足要求的非理想集成运放。 在同相放大器中，当足够大，满足深度负反馈条件时，它的输出电阻趋于零，输入电阻趋于无穷大，因此，呈现在端的输入电阻即为。3.3 、为有限值的影响 在分析、为有限值而产生的输出误差电压时，为了简明起见，假设其它参数均为理想值。3.3.1 和为有限值，=0的影响 在图7（b）和图8(b）所示的反相放大器和同相放大器等效电路中，移去信号源，画出计及和成的放大器等效电路，如图9（a）所示。由图9（a）可见，因而，=0，和将全部流入，因此，在放大器输入端产生的误差电压 (3-16)例：已知非理想集成运放的80a，1oa，1oo，则求得8.5mv。若加输入信号源将将图9（a）接成反相放大器，设，相应的增益为10倍，则当2mv时，20mv。可见，在这种情况下，对的影响就显得十分严重。 实际上，通常远小于。由上例可见，主要是由产生的。为了克服它的影响，一般均在非理想集成运放同相输入端外接特定阻值的电阻，如图9(b)所示，现分析如下图9 计及和的放大器等效电路利用戴维宁定理将图9（b）变换为图9（c）所示电路。由图9(c)可见， (3-17) (3-18)根据,求得 (3-19)式(3-19)表明，若令 (3-20)则的影响被抵消，简化为 (3-21) 可见，为了抵消的影响，必须在同相输入端接入补偿电阻，其值满足式所示的电阻平衡条件，即外接在非理想集成运放两输入端上的直流电阻值相等。这是各种非理想集成运放应用电路必须遵循的一条原则。在实现电阻平衡的条件下，产生的直接与成正比。对于特定的，越小，就越小9。3.3.2 为有限值的影响 若进一步计及，则 (3-22)而不变。根据,求得 (3-23)因而在实现电阻平衡的条件下，得 (3-24)或者 (3-25) 式(3-25)表明，若为大的值。满足，则起主要作用，为了减小，应选择小的非理想集成运放。反之，若为小值，满足，则起主要作用，为了减小，应选择小的非理想集成运放。4 高频参数对应用电路性能的影响 上面已经探讨与分析了直流和低频参数对应用电路性能的影响，下面对高频参数对应用电路性能的影响进行探讨与分析。4.1 小信号频率参数的影响 采用内补偿的非理想集成运放可近似看成一单极点系统，它的差模电压增益表示为 (4-1)图10示出了它的幅频特性渐近波特图。 图10 内补偿非理想集成运放的幅频渐进波特图 例如，f007非理想集成运放，,。对于但极点系统，即为放大器的上限频率，又称为开环带宽。即 (4-2)当时，上式近似为,令，使，即在这个频率上的值下降到1，则求得 (4-3) 称为单位增益频率，例如，f007非理想集成运放，。又可写成 (4-4)和是非理想集成运放的两个小信号频率参数。在闭环应用时，就是反馈放大器的增益带宽积，可以直接显示闭环增益与闭环带宽之间的关系，即= (4-5)因此，式(4-5)10的应用更为广泛。下面以密勒电容补偿为例，对这个频率参数作进一步的讨论。 采用密勒电容补偿电容补偿时，非理想集成运放作为但极点系统，可以采用图6所示的简化模型来表示。 在这个模型中，系统的主极点主要取决于补偿电容，而相比之下，各级电路中电容的影响均可忽略。由图6可见，若设输入差放级的互导增益为，则在差模输入电压作用下，输入差放级的输出信号电流，假设中间增益级的增益足够大，为产生所需的输入电压和电流很小，可忽略，则几乎全部流入，且 (4-6)非理想集成运放的差模电压增益近似为 (4-7) 将式(4-7)与式(4-4)比较，单位增益频率可表示为 (4-8)4.2 大信号动态参数的影响图11 对输出电压波形的影响 为了具体说明转换速率对输出电压变化的影响，将非理想集成运放接成同相跟随器，如图11（a）所示,并由输入阶跃电压激励，如图11（b）所示，当输入阶跃电压幅度足够小，输入差放级线性工作时，作为但极点系统，它的输出电压 (4-9)相应的波形如图11（c）所示。式(40)中，为输出电压达到稳定值时的幅值，其值即为。为时间常数，对于同相跟随器，其上限频率即为，因而。当时，的变化速率最大，其值为 (4-10) 式(4-10)表明，在输入阶跃电压作用下，输出电压的最大变化速率与即成正比地增大。如果增大到某一值时，相应的最大变化速率大于非理想集成运放的转换速率，则就不再按指数规律上升而是按线性规律上升，如图11（d）中实线所示（虚线是指数规律上升）。产生这种现象的原因是：输入阶跃电压瞬间（t=0）,输出电压来不及跟随变化，即，因而，输入阶跃电压全部加在输入差放级上，导致输入差分对管进入限幅区，引起一管导通，一管截止，差分对管的偏置电流全部通过导通管向充电，使线性增大。引入式，又可表示为 (4-11) 式(4-11)表明，增大，减小就可以增大，此外，还与非理想集成与运放的成正比。 例如，对于图五所示的非理想集成运放的电路模型，其输入差放级的近似等于差分对管的跨导，即，若已知，求得所以，受转换速率限制的输出电压 最后，还应当指出，应用电路的输出误差不仅来源于非理想集成运放的性能参数，还要取决于其它元器件的精度及电源电压的稳定性等。因此，为了减小输出误差，除了应该选择高质量的集成运放外，还应该合理地选择其它元器件，提高电源电压的稳定性，减小环境温度的变化，抑制干扰和噪声，精心设计电路板等11。 结论 本论文成功地对非理想集成运放的性能参数，以及非理想集成运放的性能参数对应用电路的影响进行了探讨与分析。本论文理论性强，涉及的知识面广，要求有较好的电路分析、信号与系统、电子线路课程的基础知识,对逻辑推理能力要求较高。实际集成运放的