第二节集成运放的性能参数———及其对应用电路的影响

1、第二节第二节 集成运放的性能参数集成运放的性能参数及其对应用电路的影响及其对应用电路的影响一、集成运放性能参数：一、集成运放性能参数：1、差模特性差模特性：是指集成运放在差模输入信号作用下，所呈现的特性，相应的集成运放的电路模型如图所示。vidvdvAvidvidRodRovvvvid根据电路模型可知vvvvvAoidovdvdvdAdBAlg20)(其值在80140dB(104107倍) 差模输入电阻Rid，指集成运放两输入端之间呈现的视在电阻，M数量级。MOS集成运放Rid ，一般为106 M 。Rod 为输出电阻，一般在200一下。一般情况下，上述各参数均为频率的复函数，分别表示为：Av

2、d(j) 、Zid(j) 、Zod(j) 。 最大的差模输入电压范围 VIDM ：是指输入差分对管发射结不产生反向击穿所能承受的最大输入电压。2、共模特性共模特性：是指集成运放在共模输入信号作用下呈现的特性，属于这一类特性的参数主要为，共模抑制比 KCMR ，共模输入电阻 Ric 和最大的共模输入电压范围 VICM 。计入共模参数后的电路模型，如图所示：vidvdvAvidvidRoRovCMRicvdKvAicRicR根据定义有：vvvid2vvvicvcvdCMRAAK所以CMRicvdicvcocKvAvAvCMRicvdicvcocKvAvAv可将上是折算到输入端，根据第183页（4-

3、423式）已知：CMRicidKvv作为输入误差电压，则电路模型可等效为：vidvdvAvidvidRodRovCMRicKvicRicRvidvdvAvidvidRodRovCMRicKvicRicR式中vcvdCMRAAK可表示为：CMRCMRKdBKlg20)(其值为：80120dB(104107)之间 。Ric 是集成运放输入端对共模输入信号的视在电阻，即每一个输入端对地呈现的电阻，其值大于100M。VICM 、KCMR 、Ric 均为频率的复函数。3、输入直流误差特性输入直流误差特性：是指集成运放的输入失调特性，主要参数是输入失调电压VIO及其温漂VIO ；输入失调电流IIO 及其温

4、漂 IIO ，计入这些参数后，电路模型则等效为：vidvdvAvidvidRodRovCMRicKvicRicRIBIIBIIOI21IOI21图中2/(21）BBIBIII为输入差放极两边输入偏置电流平均值。（10100）AVIO 是输出失调电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压，其值一般为mV量级。TVIOVIO是指 VIO 随温度的变化率。IIO 是输出失调电流为零时，两输入端之间所加的补偿电流，其值一般为量输入端的差值。即：21BBIOIIITIIOIIO是指 IIO 随温度的变化率。4、大信号动态特性大信号动态特性：是指集成运放在大信号的作用下呈现的动态特性。其主要参数为转换速率 S

5、R 及全功率带宽 Bp等。五、电源特性l属于这类特性的参数主要有：QEEQCCDIVIVP电压允许的变化范围 电源电压抑制比(Power Supply Rejection Ratio)KSVR是指输入失调电压随电源电压的变化率，定义为CCOvdSRVVVAKEEOvdSRVVVAK常用分贝数表示，即SRVSRVKKlg20)dB(l电源静态功率，定义为二、直流和低频参数对性能的影响二、直流和低频参数对性能的影响 通常集成运放为非理想器件，因此，有在直流和低频工作时，不仅其增益和输入电阻不为无穷大，输出电阻也不为零，而且还存在着输入失调和有限共模抑制比等引入的输入误差。 因此，在分析各种应用电路

6、时，得到的结果与理想化条件下得到的结果稍有不同。1、Avd 、Rid 、Rod 为有限值得影响：根据选取得电路可以不考虑 KCMR 、输入失调等参数的影响，例如、反向放大器，可仅考虑Avd 、Rid 、Rod 影响。vidvdvAvSvidRodRov1RfRLR画电路模型voRfR1vsRLvidvdvAvSvidRodRov1RfRLR根据电路模型列方程：fodsRvvRvRvv1LoodidvdofoRvRvAvRvvidvv求解方程组得：sovfvvAvdLfodfARRRRRR1111)1 (1vdLfodvfARRRRA式中fidRRRR/11fodLLRRRR/vfA为非理想值v

7、fA为理想值)1(1vdLfodvfvdARRRRAA此式，表明当 Avd 、Rid 、和 Rod 为有限值时，反相放大器的增益 Avf 与理想值 Avf =-Rf /R 1 之间的偏差与 Avd 的大小密切相关， Avd 越大， Avf 就越趋近于理想值Avf 。 实际上，从反馈观点来看， Avd 越大，放大器就越接近深度负反馈， Avf 就越接近Avf ，同时，放大器的输入电阻Rif 和输出电阻Rod 也就越趋于零，在这种情况下，由信号源看进去的输入电阻即为外接电阻 R1 。 可见，对反相放大器性能影响最大的是Avd ，相比之下Rid 和 Rod 的影响是次要的。2、KCMR 、Ric 为

8、有限值的影响 选用同相放大器为例，考虑到 Rod 很小，因此可忽略。vidvdvAvidvidRfRovCMRicvdKvAicRicR1RLRsv画电路模型voRfR1vsRLvidvdvAvidvidRfRovCMRicvdKvAicRicR1RLRsvicidRR已知对与电路来说idRR 1所以svv ofvRRRv11vvvid2vvvicvidvdvAvidvidRfRovCMRicvdKvAicRicR1RLRsv由于v+ 十分接近于v- 所以有：icsvvvv根据电路模型可知：CMRicvdidvdoKvAvAvCMRvdvdKvAvvA)(CMRicvdidvdoKvAvAvC

9、MRvdvdKvAvvA)(CMRsvdofsvdKvAvRRRvA)(11已知11RRRf为同相放大器的理想增益值。CMRsvdovfsvdoKvAvAvAv)1(则sCMRvdvfvfovKAAAv)11 (1经整理得：令sCMRvdvfvfovKAAAv)11 (1vdvfvfvfAAAA1所以)1 (vdvfvfvfAAAAsCMRvfsvfovKAvAv由此可知，当 Avd 为有限值时，同相放大器增益与理想值之间的偏差取决于Avf 对 Avd 的比值， Avd越大，偏差就越小，显然这与深度负反馈条件一致。sCMRvfsvfovKAvAv由此可知，由KCMR 产生的误差电压为：sCMR

10、vfovKAv因此有输出的相对误差CMRvfvfCMRvfooKAAKAvvCMRK1由此可见，由 KCMR 引起的相对偏差与KCMR 成反比， KCMR 越大，偏差就越小。 在同相放大器中，当 Avd 足够大，并满足深度负反馈条件时，它的输出电阻Rod 趋于零，输入电阻趋于无穷大，因此，呈现在 vs 端的输入电阻为 Ric 。三、IIB 、IIO 、VIO 为有限值的影响2/ )(21BBIBIII为输入差放级两边输入偏置电流的平均值。VIO 是输出失调电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压，称为输入失调电压。IIO 是输出失调电压为零时，两输入端所加的补偿电流，称为输入失调电流，其值为输入

11、端输入电流的差值。即：21BBIOIIIvoRfR1vsRLvoRfR1vsRL（1）、 IIB 、IIO 为有限值，令 VIO = 0为了讨论方便起见，假设 KCMR 、Avd 、Rid 、Ric 、R od 均为理想值。 当集成运算放大器的其他参数均为理想值时，产生输出误差电压vo ，主要是输入直流偏置引起的，因此可以令输入电压 vs = 0，可的反相和同相放大器的电路模型。voRfR1vsRLvoRfR1vsRLvvLRfRov1RIBIIBIIOI21IOI21根据电路模型可知：0v0vv所以fIOIBoRIIv)21(由于IOIBII21可见产生的vo 主要是IIB 产生的。vvLR

12、fRov1RIBIIBIIOI21IOI21 为了克服IIB 的影响，一般在集成运放的同相输入端外接特定电阻R 2 。电路模型如图所示vvLRfRov1RIBIIBIIOI21IOI212RvvofvRRR11fRR /1IBIIBIIOI21IOI212R根据电路可知offIOIBvRRRRRIIv111)/)(21()/)(21(111fIOIBofRRIIvRRR2)21(RIIvIBIOvvofvRRR11fRR /1IBIIBIIOI21IOI212R)/)(21(111fIOIBofRRIIvRRRv2)21(RIIvIBIO若使 vv则)/)(21(111fIOIBofRRIIv

13、RRR2)21(RIIIBIO整理得)/(21)/(21112211fIOfIBIBIOfoRRIRRIRIRIRRRv)/(21)/(21112211fIOfIBIBIOfoRRIRRIRIRIRRRv 由此可以看出为了消除IIB 的影响，则应该消除方程中的IIB 的项。因此可以令fRRR/12故)/(21)/(211111fIOfIOfoRRIRRIRRRv)/(111fIOfRRIRRR fIORI 为了消除IIB 的影响，应该满足电阻平衡条件。即从集成运放内部向外看，反相端对地的电阻，应该等于同相端对地的电阻。当实现电阻平衡条件后，IIO 产生的vo 直接与Rf 成正比。（2）、 II

14、B 、IIO 、VIO 为有限值电路模型如图所示vvofvRRR11fRR /1IBIIBIIOI21IOI212RIOV根据电路模型有ofvRRRv11)/)(21(1fIOIBRRII2)21(RIIVvIBIOIO若使 vv vv即则有)/)(21(111fIOIBofRRIIvRRR2)21(RIIVIBIOIO经整理得)/(21)/(21112211fIOfIBIOIBIOfoRRIRRIVRIRIRRRvfRRR/12满足电阻平衡条件所以)(211RIVRRRvIOIOfo此式表明：（1）、若R2 为大值，即满足 VIO IIOR2 时，VIO 起主要作用，因此，为了减小vo ，应

15、选用VIO 小的集成运放。6.2.3 高频参数对性能的影响l一、小信号频率参数如上一章所述，采用内补偿的集成运放可近似看成为一单极点系统，它的差模电压增益表示为PvdvdjAjA1)(6-2-9)图6-2-7示出了它的幅频特性渐近波特图。例如，F007集成运放，Avd108dB，fP Hz 。对于单极点系统， fP即为放大器的上限频率，又称为开环带宽(Open Loop Band width)。即PfBW 当 w wp时，上式近似为)()(jAjAPvdvd(6-2-10)则使令, 1)()(,GvdvdGBWAfABWfBWAfABWvdPvdG(6-2-11)将式(6-2-11)代入式(6

16、-2-10)，Avd(jf)又可写成fBWjfAGvd)j (6-2-12) BW和BWG是集成运放的两个小信号频率参数。在闭环应用时，BWG就是反馈放大器的增益带宽积，可以直接显示闭环增益Avf与闭环带宽BWf之间的关系，即GfvfBWBWA(6-2-13)采用密勒电容补偿时，集成运放作为单极点系统，可以采用图6-2-8所示的简化模型表示。由图可见CjjVCjjVjVjIoioo)()()()(21集成运放的差模电压增益近似为CjAjVjVjAgidovd)()()(将上式与式(6-2-12)比较，单位增益频率可表示为CABWgG2(6-2-14) 二、大信号动态参数l1转换速率集成运放的转

17、换速率SR(又称摆率)是指集成运放输出电压随时间的最大变化速率，即max)(dttdvSoR根据图6-2-8所示集成运放的简化模型，输出电压与输入差放级电流之间关系为CidttdvdttdvCdttvtvdCioooioo121)()()()(或者因而CIdttdvSQoRmax)(6-2-15)为了具体说明转换速率对输出电压变化的影响，将集成运放接成同相跟随器，如图629(a)所示，并由输入阶跃电压激励，如图629(b)所示，电压幅度Vs足够小，输入差放级线性工作时，作为单极点系统，它的输出电压)1 ()(tOOeVtv引用式(6-2-14)，SR又可表示为)2(GgQRBWAIS(6-2-16)例如，对于图6-2-8所示运放电路模型，其输入差放级的Ag近似等于差分对管的跨导，即sBWsVCISMHzCVICgBWpFCAIVIgAGQRTQmgQTQmg67. 0)2(167. 004. 2)4()2(,30,20, )2(求得若已知所以，受转换速率限制的输出电压VSVRO05. 0l2全功率带宽(Full Power Band wi