单电源运算放大器的设计考虑

1、单电源运算放大器的设计考虑2007-07-1011:10:37来源：MaximIntegratedProducts关键字：MaximIntegratedProducts运算放大器MAX4122通常，单电源工作与低压工作相同，将电源由15V或5V变为单5V或3V,缩小了可用信号范围。因此，其共模输入范围、输出电压摆幅、CMRR、噪声及其它运算放大器的限制变得非常重要。在所有工程设计中，常常需要牺牲系统在某方面的性能，以改善另一方面的性能。下面关于单电源运算放大器指标的折中讨论也说明了这些低压放大器与传统高压产品的不同。输入级考虑输入共模电压范围是设计人员在确定单电源运算放大器时应该考虑的首要问题

2、，需要强调的是满摆幅输入能力可以解决这一问题，然而，真正的满摆幅工作又会付出其它代价。Maxim公司的大多数低压运算放大器能够允许的共模电压输入范围包含负电源电压（表1），但也只有一部分器件允许扩展到正电源电压。一般情况下，所允许的输入电压只能达到正电源电压的1V或2V以内。允许信号达到负电源电压的运算放大器称为地感应放大器，允许信号达到正、负电源电压的运算放大器称作满摆幅输入放大器。表1.Maxim的低压运算放大器1啊VtllagtRaiQ#蚀II*IFaltaueEuii)$ll卵1尸vmtiuaRangeMfflEupplyCanentI砒阳Nl科ouhiYolhgeBJINl-HidI

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9、个电源摆幅，放大器也从一个输入差分对移向另一个输入差分对。在交越点,这样的移动会引起输入偏置电流和失调电压的改变,影响这些参数的幅值和极性。失调电压的变化通常会降低满摆幅放大器（与地感应放大器相比）的失真性能和精度指标。为了将失调电压的变化减至最小,实现从一个输入差分对到另一个输入差分对的平稳转换，Maxim在其满摆幅放大器共模输入范围的高端和低端都对失调进行了调理。为减小输入偏置电流引起的失调电压,设计人员应保持运算放大器同相端和反相端的阻抗匹配。因为输入偏置电流通常比输入失调电流大,所以,不仅对于满摆幅输入放大器,对其它所有放大器来说,阻抗匹配都是一个好的解决办法。为减小输入偏置电流引起的

10、失调电压,设计人员应保持运算放大器同相端和反相端的阻抗匹配。因为输入偏置电流通常比输入失调电流大,所以,不仅对于满摆幅输入放大器,对其它所有放大器来说,阻抗匹配都是一个好的解决办法。为说明这一点，图2给出了MAX4122-MAX4129系列运算放大器（输入、输出均可达到满摆幅）的输入偏置电流随共模电压变化的曲线。随着共模输入电压从0V缓慢上升至5V,输入偏置电流绝对变化量为85nA（从-45nA至+40nA）。而技术指标中的输入失调电流仅为1nA。因此，尽管偏置电流的大小、极性变化很大，但反相和同相输入的曲线图彼此很靠近（输入失调电流）。通过保持同相端和反相端的阻抗匹配，可以将输入偏置电流变化

11、所引起的失调电压降至最小。MAK4122INPUTBIASCURRENTvs.COMMON-MODEVQLTJIGE12345GCOHMON-MODEVOLTAGE(V)图2.满摆幅输入放大器的共模输入电压从一个电源摆幅过渡到另一个电源摆幅时，输入偏置电流的极性和大小都可能变化。图3给出了典型运算放大器中保持反相和同相结构阻抗匹配的方法。反相结构(图4)通过将放大器的共模输入电压保持在基准电压(VrEf)，可以消除输入偏置电流的变化。输出为VOUT=(-VINxR2/R1)+VREF(1+R2/R1)。如果R2=R1,该等式则变为VOUT=刃刑+2VrEF。如果Vref=2V,而VIN介于0V

12、至3V之间时，VOUT的范围为4V至IV。由于共模范围固定，CMR误差也可以消除。表2列出了适用于低压系统的参考值。图3.保持反相端和同相端的电阻匹配，可以将)同相配置和(b)反相配置中由输入偏置电流引起的失调误差降至最小。图4.保持固定的共模输入电压，反相放大器可消除共模抑制误差。表2.Maxim的低电压基准PanOuifinVlh|BIhpulV-oaagjRbhbTemp.DHhIppm/CoiaMMaxInitialfitting咖融cr-tF.3.Uiibittnl(rrsal(iiAJMbitNnbd,J.IHzId1DHe创叮h和MackaybUplltns1T&nip側刖邮2F

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16、算放大器（表1）为地感应输入，能够在最大电源电流为7mA时达到600V/ps的摆率和300MHz带宽。如果让它提供满摆幅输入，所有其它参数保持不变，则摆率会降低几倍。输出级考虑低压设计可能不需要满摆幅输入特性，但却需要满摆幅输出，以尽量扩大动态范围。因为运算放大器在多数应用中提供放大功能，所以输出电压通常大于输入电压。所以，并不总是需要满摆幅输入，却常常需要满摆幅输出级，满摆幅输出级不同于双电源运算放大器中的输出级。满摆幅输出级一般包含一个共发射极放大器，标准的输出级通常是射极跟随器（见图5）。共发射极输出放大器的输入、输出压降相对较低（集电极-发射极饱和电压，或称VCE（SAT），但典型的射

17、极跟随器输出与电源摆幅的差值大于Vce（sat）（由电流源产生）与Vbe（由输出晶体管产生）之和。图5.满摆幅输出级a）共发射极结构，（b）标准输出级一般为射极跟随器。因为双极型晶体管的vce（sa取决于流过晶体管的电流，所以双极性运算放大器的输出摆幅与负载电流有关。由此可见，放大器虽然标称是满摆幅输出，但其输出级实际上并不能够达到满电源幅度。例如,MAX4122的负载电阻为100kQ,最大摆幅与正电源电压相差12mV,与负电源电压相差20mV。然而，负载为250Q时，摆幅只能达到正电源电压的240mV以内、负电源电压的125mV以内。对CMOS输出级，双极型晶体管的集电极-发射极电压则对应于

18、MOSFET的漏-源电压，漏-源电压是MOSFET导通电阻和沟道电流之积。因此，MOSFET输出级的电压摆幅也是负载的函数。增益与负载的关系满摆幅放大器的共发射极电路除了具有低输入-输出压差外，其它参数也与射随器不同。共发射极电路提供电压增益，输出阻抗相对较高；射随器则提供单位增益，输出阻抗较低。因此，满摆幅运算放大器通常提供一个输出节点，用于补偿，而标准运算放大器的补偿电路一般位于前一级。对于满摆幅运算放大器，由此产生的增益受负载电流的影响，使其驱动容性负载时不稳定。这些满摆幅输出放大器的性能可通过仔细设计运算放大器加以改善，折衷办法是提高电源电流，比射随器输出级的运算放大器消耗更多的电流。

19、MAX4122-MAX4129系列运算放大器在驱动容性负载方面性能优异（见表1）,这类运算放大器驱动500pF时，满摆幅输入、输出稳定，可用于驱动终端匹配不好的线缆和模数转换器的容性输入级。由于能够驱动大容性负载，因此具有较好的大信号电压增益，即使是在重载情况下。开环增益与输出摆幅与所有运算放大器一样，满摆幅输出放大器的开环增益是输出电压摆幅的函数。因此，要评估满摆幅输出放大器，就必须给出指定电压、负载下的增益。Maxim正是以这种方法给出增益，而有些厂家的数据资料中没有这些数据。例如，某些运算放大器的开环增益可以达到106dB,驱动250Q负载时能够获得与电源电压相差125mV之内的摆幅，但

20、无法同时保证这两个性能。例如，MAX4122-MAX4129数据资料在其电气特性表”（图6）中明确给出了大信号电压增益和输出电压摆幅（见图6），这些器件的大信号电压增益随输出电压和负载变化的曲线见图7。DCELECTRI匚KLCHARACTERISTICSCVGG=-t-2.十曰时EE=QV,VGM=tfv.YOUF=YGG/2.FiLTiedtoVQG/2.ShPNiSY(oropen),丁白二十25；,Lri&SufrtTAiSPnzte：i.)PARAMETER匚ONDITIOfiSMINTYPUNITSVo：-：-VQUT=Q25VIB2.45V,FiL=1OCkl32114Larci

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22、Mee13J230图6.大信号电压增益应包括不同负载下的指标，输出电压摆幅也是驱动负载的函数。Hudiu80700：iHj閔0n：iLUKE-SIGMjU.GMH_aUIPUIvoltage=i：=2Jlf.lTlte逍二&5T血T电F：l=iC4:Qt：i：=271f.|_T(Tt：i：1iG；nOUIPUFVOLUfiEDSrj.rt：EF：0MErTR5UPFtV|；niV|OUTPUTOLUQE&CT.OI：EF:uMEITttr：bUPFtYiy.-.Ji11：|：|&：!W-槪I5V-tiViLilJTPUTi.iLiLTJ.GE匚itsTJ.M：EffSUMEITWR5U口汎伽勺

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24、系列运算放大器的技术参数如表1所示，提供200kHz带宽时，各器件吸收电流只有35pA（包括电荷泵）。放大器在保持低电源电流的同时，还可以驱动相对较大的20Q、500pF负载。电荷泵的引入，放大器可以采用标准的输入、输出结构，所以这些放大器的性能优于满摆幅运算放大器。电荷泵运算放大器的共模抑制比非常高，单输入晶体管对儿不存在双差分对之间切换时所引起的失调电压变化问题。另外，即使在负载相对较大的情况下，其典型的射随器输出仍可保证较高的开环增益，同时，放大器即使在驱动大容性负载时也能保持稳定。常见问题单电源供电还使得噪声、偏置和失真问题变得比较严重。噪声单电源应用一般电压很低，低电压使设计人员必须

25、降低噪声，以保持系统的信噪比。遗憾的是，低电压通常要求低功耗，而随着电源电流的降低，放大器噪声会增大。其它条件相同时，低噪声放大器的功耗较大。估算运算放大器的噪声，需考虑所有噪声来源：输入电压噪声、输入电流噪声和由增益设置电阻引起的热噪声。图8给出了电压反馈运算放大器的噪声源。C1为运算放大器反相输入端的寄生电容，C2对高频时的噪声增益和信号带宽进行限制，R1/R2为标准增益设置电阻，R3用于平衡反相和同相输入端的电阻。在低频处，噪声增益为1+R2/R1（图9）。噪声增益的第一零点在1/2nR1C1,到达由C2产生的极点以前，以每十倍频程6dB的斜率递增；在极点1/2nR2C2处，噪声增益变得平坦，等于1+C1/C2。随后，噪声增益曲线与放大器开环增益曲线相交，并开始以每十倍频程6dB的斜率衰减（放大器开环增益的标准单极点滚降）。图9.图8放大器噪声增益和开环增益图。因为输入电压噪声、同相电流噪声和R3引起的噪声在整个闭环带宽内积分，并与电流噪声增益相乘，可以看出（根据噪声增益和开环增益图），通过选择低单位增益交越频率的运算放大器，使电路噪声最小化。对反相输入，由R1和R2引起的电流噪声和热噪声只在信号带宽（l/2nR2C2）内积分。因为电流反馈运算放大器中没有电容C