单电源运算放大器的设计考虑.DOC

单电源运算放大器的设计考虑 ??? ????为了减小产品尺寸、降低成本、延长电池寿命、提高电池供电系统的性能，热计人员加快了低电压、单电源系统的开发、应用趋势。这种趋势对消费者是有益的，但却使得为特定应用选择合适的运算放大器变得复杂。?????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，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 ???? ????VOS和IB的考虑很多应用中，放大器能够为以地为参考的信号提供+2V/V或更高的增益。这些情况下，地感应放大器足以处理信号的共模范围，对于这种应用，可以获得比满摆幅输入运算放大器更好的性能。典型的满摆幅输入级使用两个差分对输入，而不是一个(图1)。 ???? ????随着输入信号从一个电源摆幅移向另一个电源摆幅，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所引起的失调电压降至最小。 ???? ????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 = (-VIN x R2/R1) + VREF (1 + R2/R1)。如果R2 = R1，该等式则变为VOUT = -VIN + 2VREF。如果VREF = 2V，而VIN介于0V至 3V之间时，VOUT的范围为4V至1V。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。 ???? 牋牋?? 牋牋?? 牋牋??摆率?????用满摆幅输入放大器代替地感应放大器时，摆率也会受到影响。地感应放大器的简单输入级具有多种提高摆率的工艺，而这些工艺不能用于具有两个差分对的满摆幅输入放大器。例如，MAX4212系列运算放大器(表1)为地感应输入，能够在最大电源电流为7mA时达到600V/μs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