电源正负限运算放大器的原理及应用

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1、电源正负限运算放大器的原理及应用作者：高光天    文章来源：Internet    点击数：810    更新时间：2007-12-5    摘要：介绍电源正负限运算放大器的特点，输入级和输出级的结构及应用时须考虑的问题。关键词：电源正负限运算放大器正限负限限区动态范围近年来计算机技术、通信技术和多媒体技术的迅猛发展促进模拟集成电路有了长足进步，其发展趋势之一是单电源、低功耗、低价格和高性能。图1±15V电源电压情况下“限区”示意图 图2某些运放当输入信号超过规定的动态范围时出现的“倒相”从电源的角度来说，传统的双电源±15V供电系统已经不能满足现代电子技术发展的需

2、要。一方面，许多便携机和电池供电设备要求单电源、低功耗的器件，因为它们使用方便、耐用；另一方面，从计算机系统和数字信号及混合信号设备中获取单电源极为方便。从器件的性能来说，从传统的双电源改为降低电压的单电源(比如从±15V改为±3V)，由于器件受单方向变化的限制，使其对失调电压、偏置电流、有限开环增益、噪声等引起的误差比较敏感，也势必影响带宽、转换速率和动态范围。为了克服这些问题，必须采取特殊的电路结构和特殊的制造工艺。因此近年来模拟器件制造商推出许多独具特色的新产品，其中电源正负限运算放大器(railtorailoperationalamplifier)就是采用

3、了特殊的电路结构，成功地解决了单电源工作条件下动态范围受到限制的问题。本文综述了这类运算放大器的特点、原理及应用问题，希望对感兴趣的读者在应用过程中有所裨益。1特点电源正负限运算放大器是一种新型的运算放大器，因为它具有非常窄的限区(headroom)和极宽的输入或输出动态范围(下限接近或达到电源地，上限接近电源的正端电压或相差几毫伏)，所以近年来很流行。为了说明电源正负限运算放大器的特点，我们先从普通的运算放大器谈起。普通的双极运算放大器的电源电压一般为±15V(见图1)，其最大输入或输出动态范围与该电源的正限即正端电压(positiverail)或电源的负限即负端电

4、压(negativerail)或单电源的地，通常要有2～3V固定的限区。在给定输出负载条件下这个限区的大小基本上不随电源电压变化。因此，对于普通的运算放大器，当其电源电压为±15V时，其输入和输出动态范围为±13V；当其电源电压降低到单电源+5V时，其满度输出范围降到2×(25-2)=10V。即使真正的单电源运算放大器，即其动态范围的下限可以达到电源的负限即电源地，而其动态范围的上限与电源正限之间仍然还有2～3V的限区。在假定运放本底噪声不变的情况下，输入或输出动态范围降低，势必降低信噪比，从而限制了系统的有效分辨率。相反，如果输入或输出信号超过运放规定的动态范围

5、，即进入“限区”，特别是当接近电源的负限时，有时运放不但其线性变坏，而且会产生倒相或闩锁现象，如图2所示。鉴于普通运放存在的上述问题，美国ADI公司研制出一系列新型运算放大器，使其限区减到最小，输入或输出动态范围接近电源的正限和负限(仅差几毫伏)，这就是电源源正负限运算放大器的特点，如图3所示。2原理21输入级结构普通运算放大器的输入级(见图4)使用NPN双极结型晶体管(BJT)(优点是宽频带、低噪声和低漂移，但功耗电流大)，或者结型场效应晶体管(JFET)(优点是高输入阻抗、低漏电流、低偏置电流和低功耗)。这两种输入级结构的共同缺点是，都要求使用双电源，并且相对电

6、源的正限和负限都要求有2～3V的限区，以保证在规定的线性区正常工作。在许多单电源应用中，仅要求输入达到电源电压的一个端电压(通常为地)。使用PNP差动对管(或N沟道JFET对管)很容易设计出零伏输入的运算放大器，例如差动对管结构的AD8041/42/44，如图5所示(N沟道JFET结构的AD820/22/23/24，如图6所示)。如果输入共模范围仅要求包括电源的正限，可使用NPN差动对管或P沟道JFET对管OP282/482。在图6所示的JFET输入级中，当输入信号接近和 图3真正的电源正负限运算放大器的输入输出特性 图4采用BJT和JFET对管的普通输入级结构 图5

7、允许输入达到电源负限的PNP对管输入级结构图6允许输入达到电源负限的N沟道JFET对管输入级结构超过放大器的线性共模电压范围时，可能会出现倒相。这是由于内部放大器前级饱和迫使后级进入截止状态。由于输入级的结构不同，出现倒相的情况也不相同。对于N沟道JFET输入级，在倒相期间，输出电压可达到电源电压的负限。对于P沟道JFET输入级，在倒相期间，输出电压可达到电源电压的正限。新型的JFET输入运算放大器AD820，在输入信号比电源电压高200mV的情况下，具有防止输出电压倒相的功能。真正的电源正负限输入级要求有两个长尾对，其中一个长尾对为NPN双极晶体管