《运算放大器1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运算放大器1（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、运算放大器,概述运算放大器的主要参数,1 输入特性参数 输入失调电压VOS 当运算放大器输出直流电压Vo0时，在运算放大器的输入端之间所加的直流补偿电压。VOS是标志运算放大器对称性的一个重要参数，它的大小对于MOS输入级在1几十mV左右。对于高精度、低漂移型运算放大器而言，VOS在0.5mV以下，甚至为uV数量级。,概述运算放大器的主要参数,输入失调电流IOS 当运算放大器的输出直流电压为零时，两个输入端所需的偏置电流的差值：IOSIBIB。一般IOS为IB的520%。 输入偏置电流IB 当运算放大器在补偿了失调电压，使其输出电压Vo=0时，运放两输入端所需电流的平均值。即IB为同相端输入电
2、流与反相端输入电流的绝对值之和的一半。,概述运算放大器的主要参数,输入失调电压温度系数dVOS/dT 运算放大器在规定工作温度范围内，环境温度每改变一度所引起的输入失调电压的变化量。由于失调电压并不是温度的线性函数，所以一般用下式进行计算：上式中（VOS）max、（VOS）min分别为在T1T2范围内失调电压的最大值、最小值。,概述运算放大器的主要参数,输入失调电流的温度系数dIOS/dT 运算放大器在规定工作温度范围内环境温度每改变一度所引起的输入失调电流的变化量。 差模输入阻抗Zid 运算放大器在线性区工作时，两差模输入电压变化vid与其对应的差分电流变化iid之比，即Zid=vid/ii
3、d。在低频工作时，Zid可用电阻Rid来表示，而在高频工作时，则可用Rid与Cid并联表示。,概述运算放大器的主要参数,共模输入阻抗Zic 运算放大器在共模输入时运放输入端对地呈现的阻抗。在低频工作时可用Ric表示，定义为：一般情况下，对于MOS运算放大器而言，Ric与Rid近似相等(而对于双极型而言，Rid要比Ric小得多)。,概述运算放大器的主要参数,最大共模输入电压Vic 使运算放大器的共模抑制比比规定共模电压下的共模抑制比下降6dB时加在输入端的共模输入电压。 最大差模输入电压Vid 运算放大器两输入端所能承受的最大电压。,概述运算放大器的主要参数,输入噪声电压viN（或电流iiN）
4、除信号电压（电流）之外，电路器件所产生的任何交流的干扰电压（电流）的输出都称为电路噪声，该噪声折算到输入端称为输入噪声，在MOS运放中主要是1/f噪声与热噪声。运算放大器的输入噪声决定了运放所能合理处理的最小信号电平，必须考虑噪声与输出摆幅间的折衷。,概述运算放大器的主要参数,电源抑制 反映运放对电源噪声的抑制能力，一般全差分结构具有很好的电源抑制。它的计算一般定义为：,概述运算放大器的主要参数,2 转移特性参数 开环直流（低频）电压增益Avd 运算放大器工作在线性区时，输出电压变化与差分输入电压变化的比值：一般用dB表示，即定义为：20logAvd。,概述运算放大器的主要参数,共模抑制比CM
5、RR运算放大器差模电压增益Avd与共模电压增益Avc之比：CMRR是标称运算放大器的一个不对称参数，且有：另外，CMRR也是频率的函数，频率上升则CMRR下降，一般情况下CMRR均指低频而言，高精度的CMRR可达100120dB。,概述运算放大器的主要参数,3 输出特性： 最大输出电流IOm运算放大器在最大输出峰峰电压VoPP下所能提供的最大输出电流。 输出短路电流IoS运算放大器在同相端输入规定的直流电压而使输出达到最大值时，输出端对地的短路电流。大小主要与输出级的保护电路有关。,概述运算放大器的主要参数,开环输出阻抗Zo在开环状态下，运算放大器工作于线性区时，运放的输出电压与对应的电流变化
6、之比。在低频时，可用电阻Ro来表示。 开环差分增益Aiv运放的开环差分增益决定了应用运放作为反馈系统的精度。如前所述，根据应用其所需增益可能有四个数量级的变化。,概述运算放大器的主要参数,输出压摆指运算放大器的输出电压的最大范围，大多数带有运放的系统需很大的压摆以适应宽范围的信号幅度。由于输出压摆与其它性能指标之间存在着相互权衡的关系，在现代运放设计中达到大摆幅是相当有挑战性的。 线性与谐波失真开环运放具有相当大的非线性，在许多反馈电路中，决定开环增益的因素是线性的要求而非增益误差。,概述运算放大器的主要参数,4 频率特性 输出电压转换速率Sr也称为压摆率，指运算放大器在闭环增益为1时，在额定
7、条件下，当输入为大信号阶跃脉冲时，输出电压的最大变化率。反映了运放对于任意输入波形的大信号瞬态特性。一般运放的转换速率为0.52V/us，高速运放可达10100V/us。 建立时间ts当运放闭环增益为1时，在额定负载下输入阶跃大信号，输出电压达到规定精度的所需要的时间。,概述运算放大器的主要参数,全功率带宽fp运算放大器闭环增益为1时，在额定负载下输入正弦信号后，在规定失真下，输出电压达到最大幅度Vop时的最高频率。 3dB带宽指运放的开环电压增益Avd的半功率点的频率，即运放的开环增益下降到低频电压增益的时所对应的频率。这是运放小信号工作时的频率特性。,概述运算放大器的主要参数,单位增益带宽
8、fu运放的开环增益下降到0dB（1倍）时所对应的频率，即为运放小信号工作时的频率特性。 大信号带宽反映运算放大器的输入为大信号时的频率特性，运放的频率特性中，小信号频率特性和大信号频率特性之间不存在对应关系，有些要求小信号带宽，但大信号特性很差，需根据运放在系统中的作用和要求来定。,概述分析运算放大器的一般步骤,一般运算放大器有以下几个部分构成：输入级、增益级、输出级等构成，下图示了一般运放的主要构成及其各部分的主要作用。运算放大器又可分为单级运放、二级运放、多级运放等。,概述分析运算放大器的一般步骤,分析运算放大器的一般步骤为： 划分并分析所有的偏置电路（即偏置电压与偏置电流）；划分并分析所
9、有的保护电路，并可先忽略它们的影响。 计算所有的工作电流与电压。 根据输入信号定义电路模块：放大器、缓冲器、电平移位电路以及输出驱动电路等。 计算运算放大器的低频增益。 分析其补偿电路。 计算高频响应。 采用SPICE进行仿真以得到其性能参数。,单级运放,全差分单级运算放大器,全差分单级运算放大器是指其输入与输出都采用了差分方式，这里主要介绍基本差分放大器、伸缩式级联放大器以及折叠式级联放大器。 1 基本的全差分单级运算放大器 单级全差分运算放大器的基本电路如右图所示。 图中M1、M2、M3、M4及电流源IS构成了一个差分放大器，而M5及电流源IR则为差分放大器的负载管M3、M4提供偏置。,全
10、差分单级运算放大器,该运放的开环差分增益为：式中gm1,3是指M1或M3的跨导，ro1,2、ro3,4分别为M1或M2的输出电阻、M3或M4的输出电阻。 开环共模增益为：式中1,2gmb1,2/gm1,2。 共模抑制比：,伸缩式共源共栅运算放大器,伸缩式共源共栅运算放大器的结构如第五章中介绍的伸缩式共源共栅放大级基本一致。 这种运算放大器的一个明显缺点是很难以输入输出短接方式实现单位增益缓冲器。,折叠式级联运算放大器,在上图中，如果输入管采用相反极性的MOS管来构成级联运算放大器，称之为折叠运算放大器，如下图所示。,折叠式级联运算放大器,上图所示的折叠式运算放大器电路，必须保证所有MOS管都工
11、作于饱和区以确保高增益。 开环最低输出电压为：Vo,min=Vdsat3+Vdsat5； 最高输出电压为Vo,max= VDD(|Vdsat7|Vdsat9|)； 即开环输出电压摆幅为：VDD(Vdsat3Vdsat5|Vdsat7|Vdsat9|)。 其开环输入压摆比伸缩式级联运算放大器要大得多，其最小输入电压可为0V。 缺点：保证较小寄生电容时，要求M5与M6的过驱动电压增大以提供大电流。,折叠式级联运算放大器,伸缩式级联运算放大器与折叠式级联放大器存在两个重要差别： 在伸缩式级联运放中一个偏置电流IS供给输入三极管及级联器件，而折叠式级联运放中输入对管需要一个额外偏置电流，且有 IS1I
12、S/2ID3，因此折叠级联结构一般有较高功耗。 在伸缩式级联运放中，其输入共模电平不能大于Vb1VGS3Vth1，而在折叠式级联运放中，不能小于Vb1VGS3|VthP|，因此后一种电路可以设计成单位缓冲器，并可忽略摆幅的影响。,折叠式级联运算放大器,采用半电路概念来求解折叠级联运放的小信号电压增益，如下图所示电路，其增益可写成： 。,折叠式级联运算放大器,Gm的求解 由于从M3的源极看进去的阻抗(gm3+gmb3)-1|ro3低于ro1|ro5，因此半边电路的输出短路电流近似等于M1的漏电流，根据求解Gm的方法，可以知道Gmgm1。 Ro的求解 为了计算Ro，根据求等效电阻的方法，采用如图所
13、示的等效电路，则有：即有：,折叠式级联运算放大器,小信号电压增益 根据求解电压增益的方法，即可求出电路的小信号电压增益为：对于相类似的器件尺寸与偏置电流，PMOS输入差分对与NMOS差分对相比具有较小的跨导。并且，ro1与ro5并联，特别是由于M5流过输入器件及级联支路的电流，减小了输出阻抗，故折叠式级联运算放大器的增益常比一个类似的伸缩式级联的增益小2至3倍。,折叠式级联运算放大器,用NMOS管作为折叠级联运放的输入对管，如图所示。,折叠式级联运算放大器,由于NMOS器件具有较大的迁移率，所以该电路的电压增益较大，但这是以降低在折叠点的极点为代价。实际上，对于类似的偏置电流，后一张图中的M5
14、-M6可能比前一张图中的宽度大几倍。 折叠级联运放的总的压摆略高于伸缩式结构。这个优点是以高功耗、小电压增益、低极点频率等为代价的。但是由于折叠级联运放的输入与输出可以短接且输入共模电平易于选择，所以应用非常广。 折叠级联运放的一个重要特性是控制输入共模电平接近电源供给的一端电压：用NMOS输入对时可使输入共模电平为VDD，而使用PMOS输入对的相似结构可使输入共模电平为零。,单端输出运算放大器,简单的运算放大器-CMOS差分放大器,开环输出电阻为：式中roN与roP分别为NMOS管漏源之间的电阻。,简单的运算放大器-CMOS差分放大器,开环电压增益为：上式中gmN为输入差分对管NMOS的跨导
15、，接成闭环应用时，其反馈系数为1，因此根据负反馈特性可以求出闭环输出电阻为：由于ro较大，故其闭环输出电阻近似为1/gmN，与开环输出电阻无关。,简单的运算放大器-CMOS差分放大器,该电路的输出压摆为：VDD 上式中的VdsatN与VdsatP分别指NMOS与PMOS的饱和漏极电压。 电路主极点位于输出节点，且其时间常数为：roCL。 其特点是：开环电压增益可达到100左右，而功耗为mW级，单位增益频率约为兆赫量级；且电路驱动负载能力较小。,共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器,如图所示，与全差分伸缩式级联放大器不同之处是其负载为共源共栅电流镜结构。,共源共栅电流源为负载的伸缩式级
16、联结构运算放大器,该电路的开环输出电阻：开环电压增益：闭环输出电阻为：roc=1/gmN 开环的输出压摆：,共源共栅电流源为负载的伸缩式级联结构运算放大器,闭环输出压摆：把输入信号端M2的栅极与输出节点相连构成单位增益反馈应用时，在正常工作时，要保证所有MOS管工作于饱和态。 M4饱和的条件是：VoVb1Vth4 M2饱和的条件是：VoVth2VX，即VoVth2VXVb1VGS4Vth2，所以有：故输出电压摆幅为Vth2(VGS4-Vth4)，小于M2的阈值电压，因此用作缓冲器时其输出压摆太小，所以不实用。 另外，这种电路的输出摆幅为全差分相应电路的输出摆幅的一半，并且该电路的反馈系统的速度较低。,高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器,为了克服上述结构输出摆幅小的缺点，对此结构进行了改进，如图所示。,高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器,上图所示的电路结构的一个最大特点就是其输出摆幅较大，因此称为高摆幅的伸缩式级联结构运算放大器。 这是由于其利用高摆幅的电流镜作为负载以提高放大器的开环电压摆幅。 在这种结构中，M7与M8被偏置在线性区的边缘。这种结构与前一种结构一样，不适用于单位增益缓冲器。,
