單電源運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)考慮

通常，單電源工作與低壓工作相同，將電源由±15v或±5v變?yōu)閱?v或3v，縮小了可用信號范圍。因此，其共模輸入范圍、輸出電壓擺幅、cmrr、噪聲及其它運(yùn)算放大器的限制變得非常重要。在所有工程設(shè)計(jì)中，常常需要犧牲系統(tǒng)在某方面的性能，以改善另一方面的性能。下面關(guān)于單電源運(yùn)算放大器指標(biāo)的折中討論也說明了這些低壓放大器與傳統(tǒng)高壓產(chǎn)品的不同。

輸入級考慮

輸入共模電壓范圍是設(shè)計(jì)人員在確定單電源運(yùn)算放大器時(shí)應(yīng)該考慮的首要問題，需要強(qiáng)調(diào)的是滿擺幅輸入能力可以解決這一問題，然而，真正的滿擺幅工作又會付出其它代價(jià)。

maxim公司的大多數(shù)低壓運(yùn)算放大器能夠允許的共模電壓輸入范圍包含負(fù)電源電壓(表1)，但也只有一部分器件允許擴(kuò)展到正電源電壓。一般情況下，所允許的輸入電壓只能達(dá)到正電源電壓的1v或2v以內(nèi)。允許信號達(dá)到負(fù)電源電壓的運(yùn)算放大器稱為地感應(yīng)放大器，允許信號達(dá)到正、負(fù)電源電壓的運(yùn)算放大器稱作滿擺幅輸入放大器。

vos和ib的考慮
很多應(yīng)用中，放大器能夠?yàn)橐缘貫閰⒖嫉男盘柼峁?2v/v或更高的增益。這些情況下，地感應(yīng)放大器足以處理信號的共模范圍，對于這種應(yīng)用，可以獲得比滿擺幅輸入運(yùn)算放大器更好的性能。典型的滿擺幅輸入級使用兩個差分對輸入，而不是一個(圖1)。

隨著輸入信號從一個電源擺幅移向另一個電源擺幅，放大器也從一個輸入差分對移向另一個輸入差分對。在交越點(diǎn)，這樣的移動會引起輸入偏置電流和失調(diào)電壓的改變，影響這些參數(shù)的幅值和極性。失調(diào)電壓的變化通常會降低滿擺幅放大器(與地感應(yīng)放大器相比)的失真性能和精度指標(biāo)。為了將失調(diào)電壓的變化減至最小，實(shí)現(xiàn)從一個輸入差分對到另一個輸入差分對的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，maxim在其滿擺幅放大器共模輸入范圍的高端和低端都對失調(diào)進(jìn)行了調(diào)理。

為減小輸入偏置電流引起的失調(diào)電壓，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保持運(yùn)算放大器同相端和反相端的阻抗匹配。因?yàn)檩斎肫秒娏魍ǔ１容斎胧д{(diào)電流大，所以，不僅對于滿擺幅輸入放大器，對其它所有放大器來說，阻抗匹配都是一個好的解決辦法。 為減小輸入偏置電流引起的失調(diào)電壓，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保持運(yùn)算放大器同相端和反相端的阻抗匹配。因?yàn)檩斎肫秒娏魍ǔ１容斎胧д{(diào)電流大，所以，不僅對于滿擺幅輸入放大器，對其它所有放大器來說，阻抗匹配都是一個好的解決辦法。

為說明這一點(diǎn)，圖2給出了max4122-max4129系列運(yùn)算放大器(輸入、輸出均可達(dá)到滿擺幅)的輸入偏置電流隨共模電壓變化的曲線。隨著共模輸入電壓從0v緩慢上升至5v，輸入偏置電流絕對變化量為85na (從-45na至+40na)。而技術(shù)指標(biāo)中的輸入失調(diào)電流僅為±1na。因此，盡管偏置電流的大小、極性變化很大，但反相和同相輸入的曲線圖彼此很靠近(輸入失調(diào)電流)。通過保持同相端和反相端的阻抗匹配，可以將輸入偏置電流變化所引起的失調(diào)電壓降至最小。

圖3給出了典型運(yùn)算放大器中保持反相和同相結(jié)構(gòu)阻抗匹配的方法。反相結(jié)構(gòu)(圖4)通過將放大器的共模輸入電壓保持在基準(zhǔn)電壓(vref)，可以消除輸入偏置電流的變化。輸出為vout = (-vin x r2/r1) + vref (1 + r2/r1)。如果r2 = r1，該等式則變?yōu)関out = -vin + 2vref。如果vref = 2v，而vin介于0v至 3v之間時(shí)，vout的范圍為4v至1v。由于共模范圍固定，cmr誤差也可以消除。表2列出了適用于低壓系統(tǒng)的參考值。

擺率
用滿擺幅輸入放大器代替地感應(yīng)放大器時(shí)，擺率也會受到影響。地感應(yīng)放大器的簡單輸入級具有多種提高擺率的工藝，而這些工藝不能用于具有兩個差分對的滿擺幅輸入放大器。例如，max4212系列運(yùn)算放大器(表1)為地感應(yīng)輸入，能夠在最大電源電流為7ma時(shí)達(dá)到600v/μs的擺率和300mhz帶寬。如果讓它提供滿擺幅輸入，所有其它參數(shù)保持不變，則擺率會降低幾倍。

輸出級考慮
低壓設(shè)計(jì)可能不需要滿擺幅輸入特性，但卻需要滿擺幅輸出，以盡量擴(kuò)大動態(tài)范圍。因?yàn)檫\(yùn)算放大器在多數(shù)應(yīng)用中提供放大功能，所以輸出電壓通常大于輸入電壓。所以，并不總是需要滿擺幅輸入，卻常常需要滿擺幅輸出級，滿擺幅輸出級不同于雙電源運(yùn)算放大器中的輸出級。
滿擺幅輸出級一般包含一個共發(fā)射極放大器，標(biāo)準(zhǔn)的輸出級通常是射極跟隨器(見圖5)。共發(fā)射極輸出放大器的輸入、輸出壓降相對較低(集電極-發(fā)射極飽和電壓，或稱vce(sat))，但典型的射極跟隨器輸出與電源擺幅的差值大于vce(sat) (由電流源產(chǎn)生)與vbe (由輸出晶體管產(chǎn)生)之和。

因?yàn)殡p極型晶體管的vce(sat)取決于流過晶體管的電流，所以雙極性運(yùn)算放大器的輸出擺幅與負(fù)載電流有關(guān)。由此可見，放大器雖然標(biāo)稱是滿擺幅輸出，但其輸出級實(shí)際上并不能夠達(dá)到滿電源幅度。例如，max4122的負(fù)載電阻為100k，最大擺幅與正電源電壓相差12mv，與負(fù)電源電壓相差20mv。然而，負(fù)載為250時(shí)，擺幅只能達(dá)到正電源電壓的240mv以內(nèi)、負(fù)電源電壓的125mv以內(nèi)。

對cmos輸出級，雙極型晶體管的集電極-發(fā)射極電壓則對應(yīng)于mosfet的漏-源電壓，漏-源電壓是mosfet導(dǎo)通電阻和溝道電流之積。因此，mosfet輸出級的電壓擺幅也是負(fù)載的函數(shù)。

增益與負(fù)載的關(guān)系
滿擺幅放大器的共發(fā)射極電路除了具有低輸入-輸出壓差外，其它參數(shù)也與射隨器不同。共發(fā)射極電路提供電壓增益，輸出阻抗相對較高；射隨器則提供單位增益，輸出阻抗較低。因此，滿擺幅運(yùn)算放大器通常提供一個輸出節(jié)點(diǎn)，用于補(bǔ)償，而標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的補(bǔ)償電路一般位于前一級。對于滿擺幅運(yùn)算放大器，由此產(chǎn)生的增益受負(fù)載電流的影響，使其驅(qū)動容性負(fù)載時(shí)不穩(wěn)定。
這些滿擺幅輸出放大器的性能可通過仔細(xì)設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器加以改善，折衷辦法是提高電源電流，比射隨器輸出級的運(yùn)算放大器消耗更多的電流。max4122-max4129系列運(yùn)算放大器在驅(qū)動容性負(fù)載方面性能優(yōu)異(見表1)，這類運(yùn)算放大器驅(qū)動500pf時(shí)，滿擺幅輸入、輸出穩(wěn)定，可用于驅(qū)動終端匹配不好的線纜和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的容性輸入級。由于能夠驅(qū)動大容性負(fù)載，因此具有較好的大信號電壓增益，即使是在重載情況下。

開環(huán)增益與輸出擺幅
與所有運(yùn)算放大器一樣，滿擺幅輸出放大器的開環(huán)增益是輸出電壓擺幅的函數(shù)。因此，要評估滿擺幅輸出放大器，就必須給出指定電壓、負(fù)載下的增益。maxim正是以這種方法給出增益，而有些廠家的數(shù)據(jù)資料中沒有這些數(shù)據(jù)。例如，某些運(yùn)算放大器的開環(huán)增益可以達(dá)到106db，驅(qū)動250負(fù)載時(shí)能夠獲得與電源電壓相差125mv之內(nèi)的擺幅，但無法同時(shí)保證這兩個性能。例如，max4122-max4129數(shù)據(jù)資料在其“電氣特性表” (圖6)中明確給出了大信號電壓增益和輸出電壓擺幅(見圖6)，這些器件的大信號電壓增益隨輸出電壓和負(fù)載變化的曲線見圖7。

電荷泵運(yùn)算放大器
max4162系列運(yùn)算放大器采用一種創(chuàng)新方案的解決標(biāo)準(zhǔn)輸出級提供滿擺幅輸出的問題。運(yùn)算放大器采用典型的射隨器輸出級，但其內(nèi)部電荷泵為輸出級提供偏置電壓，從而獲得了滿擺幅輸出。電荷泵也給放大器的其它電路供電，因此，當(dāng)輸入級為標(biāo)準(zhǔn)的地感應(yīng)結(jié)構(gòu)時(shí)，輸入可以在地與vcc之間變化。該系列運(yùn)算放大器的技術(shù)參數(shù)如表1所示，提供200khz帶寬時(shí)，各器件吸收電流只有35μa (包括電荷泵)。放大器在保持低電源電流的同時(shí)，還可以驅(qū)動相對較大的20、500pf負(fù)載。
電荷泵的引入，放大器可以采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)，所以這些放大器的性能優(yōu)于滿擺幅運(yùn)算放大器。電荷泵運(yùn)算放大器的共模抑制比非常高，單輸入晶體管對兒不存在雙差分對之間切換時(shí)所引起的失調(diào)電壓變化問題。另外，即使在負(fù)載相對較大的情況下，其典型的射隨器輸出仍可保證較高的開環(huán)增益，同時(shí)，放大器即使在驅(qū)動大容性負(fù)載時(shí)也能保持穩(wěn)定。

常見問題
單電源供電還使得噪聲、偏置和失真問題變得比較嚴(yán)重。

噪聲
單電源應(yīng)用一般電壓很低，低電壓使設(shè)計(jì)人員必須降低噪聲，以保持系統(tǒng)的信噪比。遺憾的是，低電壓通常要求低功耗，而隨著電源電流的降低，放大器噪聲會增大。其它條件相同時(shí)，低噪聲放大器的功耗較大。
估算運(yùn)算放大器的噪聲，需考慮所有噪聲來源：輸入電壓噪聲、輸入電流噪聲和由增益設(shè)置電阻引起的熱噪聲。圖8給出了電壓反饋運(yùn)算放大器的噪聲源。c1為運(yùn)算放大器反相輸入端的寄生電容，c2對高頻時(shí)的噪聲增益和信號帶寬進(jìn)行限制，r1/r2為標(biāo)準(zhǔn)增益設(shè)置電阻，r3用于平衡反相和同相輸入端的電阻。

在低頻處，噪聲增益為1+r2/r1 (圖9)。噪聲增益的第一零點(diǎn)在1/2r1c1，到達(dá)由c2產(chǎn)生的極點(diǎn)以前，以每十倍頻程6db的斜率遞增；在極點(diǎn)1/2r2c2處，噪聲增益變得平坦，等于1+c1/c2。隨后，噪聲增益曲線與放大器開環(huán)增益曲線相交，并開始以每十倍頻程6db的斜率衰減(放大器開環(huán)增益的標(biāo)準(zhǔn)單極點(diǎn)滾降)。

因?yàn)檩斎腚妷涸肼暋⑼嚯娏髟肼暫蛂3引起的噪聲在整個閉環(huán)帶寬內(nèi)積分，并與電流噪聲增益相乘，可以看出(根據(jù)噪聲增益和開環(huán)增益圖)，通過選擇低單位增益交越頻率的運(yùn)算放大器，使電路噪聲最小化。對反相輸入，由r1和r2引起的電流噪聲和熱噪聲只在信號帶寬(1/2r2c2)內(nèi)積分。因?yàn)殡娏鞣答佭\(yùn)算放大器中沒有電容c2，所以這類運(yùn)算放大器的噪聲只在整個閉環(huán)信號帶寬內(nèi)積分。

失真
適當(dāng)?shù)姆糯笃鳝h(huán)路增益能夠使失真最小，否則在其輸入-輸出傳輸函數(shù)中將產(chǎn)生非線性。因?yàn)楦哳l處放大器增益減小，所以其諧波失真增加。
給定頻率時(shí)，如果運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域，并且環(huán)路增益最大，就可以獲得良好的諧波性能。這需要將輸出偏置遠(yuǎn)離電源電壓的位置，如圖4 (信號反相并加入一個偏壓)或圖10 (有偏壓，但信號沒有反相)所示。

圖4所示的反相配置通過保持共模輸入電壓不變來消除共模非線性，在滿擺幅輸入放大器中特別有用，因這些放大器的非線性是由共模輸入的變化引起的(輸入級從一個輸入差分對過渡到另一個輸入差分對)。

我們再關(guān)注一下輸出級，因?yàn)?，增益是?fù)載電流的函數(shù)，輕載時(shí)有助于改善滿擺幅放大器的諧波性能。放大器電壓的偏移量也會影響失真，所有運(yùn)算放大器在電壓漂移量最小時(shí)都有助于改善性能(內(nèi)部工作點(diǎn)不需偏移很大，保持在線性區(qū)域內(nèi))。放大器擺率大小與滿功率帶寬有關(guān)，同時(shí)也影響諧波失真。當(dāng)放大器工作在滿功率帶寬以外時(shí)，相關(guān)的擺率限制會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性。

產(chǎn)生另一路電源
高性能、單電源運(yùn)算放大器的應(yīng)用越來越來普及，但要最大限度地提高性能，有時(shí)還必須選擇雙電源供電的放大器。由于雙電源運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)沒有單電源設(shè)計(jì)的局限性，可選則的雙電源供電產(chǎn)品更多。
從正電源獲得負(fù)電源的方法非常多，開關(guān)型調(diào)節(jié)器最靈活，而電荷泵轉(zhuǎn)換器則最簡單、體積最小、價(jià)格最低。因?yàn)殡姾杀檬褂猛饨与娙?而不是電感)提供電壓轉(zhuǎn)換，所以在提供輸入電壓的整數(shù)倍電壓(-vin, +2vin等)時(shí)效果最佳。輸出電壓一般沒有穩(wěn)壓，如果負(fù)載電流相對較小時(shí)，輸出電壓可以非常接近輸入電壓的整數(shù)倍。

因?yàn)殡姾杀玫撵o態(tài)電流可以非常小，所以輕載時(shí)效率很高。如圖11，電荷泵配置為產(chǎn)生一路負(fù)壓，電壓大小等于輸入電壓，但極性相反。通過引腳配置可以使內(nèi)部振蕩器頻率為13khz、100khz或250khz，允許設(shè)計(jì)人員在靜態(tài)電流、電荷泵電容器尺寸或輸出電壓紋波等參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。