第二章运算放大器静态限制23学时

1、1第二章第二章 实际运算放大器的静态限制实际运算放大器的静态限制简化运算放大器电路图简化运算放大器电路图 输入失调电压输入失调电压低低输入偏置电流运算放大器输入偏置电流运算放大器输入偏置电流和输入失调电流输入偏置电流和输入失调电流IOS和和VOS 同时作用时的影响同时作用时的影响输入失调误差补偿输入失调误差补偿2 实际运算放大器与理想运算放大器特性的一致实际运算放大器与理想运算放大器特性的一致是在是在恰当的频率和适度的直流增益条件恰当的频率和适度的直流增益条件下。下。 频率或增益增加频率或增益增加特性不断恶化（因各种限制开特性不断恶化（因各种限制开始起作用）始起作用） 最关键的限制之一最关键的

2、限制之一开环增益在几赫兹的范围内开环增益在几赫兹的范围内是高的，是高的，之后会随输入信号频率增加，增益下降，之后会随输入信号频率增加，增益下降，使闭环性能不断恶化。使闭环性能不断恶化。与此相关的缺点：限制运算放大器对输入突然变化与此相关的缺点：限制运算放大器对输入突然变化的响应速度。的响应速度。3当工作频率限制在相对较低的水平，是否还有限制？YES尤其在高直流增益场合尤其在高直流增益场合nnososB和i交流噪声密度e输入失调电压V输入失调电流I输入偏置电流I输入参考误差（一）、简化（一）、简化Op AmpOp Amp电路图电路图输入级输入级第二级第二级输出级输出级5NPmovvgi11输入级

3、跨导1mg：电流镜像和：差分对管；和Q4Q3Q21Q输入级：输入级：该级可以检测该级可以检测到反相和同相输入电压到反相和同相输入电压v vN N和和v vP P的任何不平衡，的任何不平衡，并把它转化为单端输出并把它转化为单端输出电流电流i io1o1（二）、简化（二）、简化Op Amp-Op Amp-输入级输入级6TNPAovvIiV2tanh1NPvv IA A会在会在Q Q1 1和和Q Q2 2 间均分；间均分；任何失配会使任何失配会使IA A的大部分流经的大部分流经Q Q1 1而一小部分流经而一小部分流经Q Q2 2，或相反；，或相反；小信号情况斜率（跨导）小信号情况斜率（跨导）TAmV

4、Ig21大信号情况（过度驱动输入级）大信号情况（过度驱动输入级）A1I达到饱和值oi（具有负反馈的（具有负反馈的Op Amp Op Amp 是在何种情况工作？）是在何种情况工作？）mV100V4TNPvv7简化简化Op Amp-Op Amp-第二级第二级 该级是由达林顿晶体管对Q5和Q6 ，以及频率补偿电容Cc组成。 达林顿是用于提供附加的增益和更宽的信号摆幅。 电容是用于稳定运算放大器,防止在负反馈应用中所不希望有的振荡产生。8简化简化Op Amp-Op Amp-输出级输出级 基于射级跟随器Q7和Q8 设计的这一级是用来提供低的输出阻抗的。虽然其电压增益近似为1，但其电流增益还是相当高的，对

5、第二级起功率放大器的作用。9输入偏置电流输入偏置电流输入级输入级Q Q1 1和和Q Q2 2的的 和和 之间存在不可避免的失配，之间存在不可避免的失配，那么那么IP P和和IN N也必然存在失配。也必然存在失配。将两电流的均值称为将两电流的均值称为输入输入偏置电流偏置电流。12NPBIIINPosIIIIOSOS的幅度量级通常比的幅度量级通常比IB B小。小。IB B的极性取决于输入晶体的极性取决于输入晶体管类型，而管类型，而IOSOS极性则取决于失配方向。极性则取决于失配方向。（三）、输入偏置电流和输入失调电流（三）、输入偏置电流和输入失调电流BI输入失调电流输入失调电流osI210由由IB

6、 B和和IOSOS所引起的误差所引起的误差在电阻反馈情况下，将有源在电阻反馈情况下，将有源输入都置零的话，可得等效输入都置零的话，可得等效电路如图：电路如图：NPIRVRRv2120/1PPPIRV00Ev 整理得：整理得：PPNIRIRRRRE21120/1其中其中利用叠加定理可得利用叠加定理可得11PPNIRIRRRRE21120/1由式由式可以得出四个结论可以得出四个结论: :1 1、无输入信号，仍输出无输入信号，仍输出Eo, Eo, 称其为称其为输出直流噪声输出直流噪声; ;2 2、E E0 0 是由输入误差是由输入误差( (或称输入直流噪声，或称输入直流噪声，E EI I) )放大放

7、大（1+R1+R2 2/R/R1 1）倍得到的，可将这个放大倍数称为）倍得到的，可将这个放大倍数称为直流噪直流噪声增益声增益; ;3 3、输入误差、输入误差E EI I由两部分组成由两部分组成; ;4 4、两部分的极性相反，有互为补偿的趋势。、两部分的极性相反，有互为补偿的趋势。 通常，误差通常，误差EoEo可能无法接受，必须采用适当的方可能无法接受，必须采用适当的方法把它降至可以接受的水平。法把它降至可以接受的水平。直流噪声增益与信号增益的区别？直流噪声增益与信号增益的区别？12PPNIRIRRRRE21120/1式可以表示成可以表示成2/12121120OSPBPIRRRIRRRRRE如果

8、如果21/ RRRP可消除含可消除含IB B的项的项，最后可得，最后可得osIRRRRE21120122OSBNOSBPIIIIII13式式可以看出：可以看出： 通过缩小所有的电阻可以进一步降低通过缩小所有的电阻可以进一步降低E E0 0； 如：如：将所有的电阻缩小将所有的电阻缩小1010倍不会影响增益，但倍不会影响增益，但可以使输入误差可以使输入误差 缩小缩小1010倍倍。缩小电阻会增加功率耗散，需要折中；缩小电阻会增加功率耗散，需要折中；如果如果E E0 0仍无法接受，那么选择具更低仍无法接受，那么选择具更低IOSOS值的运算放大器。值的运算放大器。OSIRR21osIRRRRE21120

9、114例：如图所示的电路图中，令例：如图所示的电路图中，令M2 . 2,k2221RR并令运算放大器有并令运算放大器有A80nIB和和 A20nIOS1 1、当、当R RP P=0=0时计算时计算E E0 0的值。的值。2 2、当、当 重做上题。重做上题。3 3、当同时把所有电阻缩小、当同时把所有电阻缩小倍，重做。倍，重做。、采用、采用nAnA的运算放的运算放大器，重做。大器，重做。试对这些结果给予评注。试对这些结果给予评注。 21RRRP15（三）、反馈电阻究竟应该如何设置（三）、反馈电阻究竟应该如何设置? ?运放直流噪声增益限制了电阻取值不能太大；运放直流噪声增益限制了电阻取值不能太大；大

10、电阻有大的热噪声和寄生电容；大电阻有大的热噪声和寄生电容；运放最大输出电流限制了电阻取值不能太小，否则不运放最大输出电流限制了电阻取值不能太小，否则不能驱动负载；（能驱动负载；（741741最大输出电流最大输出电流20mA20mA）反馈电阻的适当范围反馈电阻的适当范围：R Rs s、R Rf f为几百欧至几十千欧；为几百欧至几十千欧；R Rs s+R+Rf f为几千欧至几十千欧；为几千欧至几十千欧；16超高电流放大输入的超高电流放大输入的Op AmpOp Amp 采用具有极高电流增益的输入采用具有极高电流增益的输入BJTBJT是实现低是实现低 I IB B 的的一种方法。一种方法。 这种这种B

11、JTBJT称为称为具有超高电流放大系数晶体管具有超高电流放大系数晶体管, ,它采它采用非常薄的基极区域用非常薄的基极区域, ,使基极电流的复合分量最使基极电流的复合分量最小，可实现超过小，可实现超过10103 3A/AA/A的电流放大倍数。的电流放大倍数。 LM308LM308采用了这种技术。一般具有超高电流放大采用了这种技术。一般具有超高电流放大系数的运算放大器的系数的运算放大器的（四）低输入偏置电流（四）低输入偏置电流Op AmpOp Amp或更小A1nIBA5 . 1 nIOS17 电流相消实现低IB：由特定的电路预估对输入晶体管进行偏置所需的基极电流，然后在内部提供这些电流。这使得从外

12、界看来，就好像运算放大器可以在没有任何输入偏置电流的情况下能够工作。 实际上，由于器件失配，相消是不完全的，因此输入端仍会吸收残余的电流。 输入端残余电流的幅度通常要比实际基极电流的幅度低一个数量级。没有必要在具有输入电流相消得运算放大器中安装一个虚设电阻RP。 通常OP-07的额定值是： A1nIB和A4 . 0 nIOS2 2、输入偏置电流相消、输入偏置电流相消183 3、JFETJFET输入输入Op AmpOp Amp 这些器件采用结型场效应管（这些器件采用结型场效应管（JFETJFET）来实现输入级的）来实现输入级的差分对，而采用常规差分对，而采用常规BJTBJT来实现电路的其它部分。

13、现在来实现电路的其它部分。现在IB B是是JFETJFET的栅极和沟道之间的的栅极和沟道之间的PNPN结的反相偏置电流。在室温结的反相偏置电流。在室温下，这个电流一般在下，这个电流一般在几十皮安的数量级或更小几十皮安的数量级或更小。LF356 LF356 在室温下的额定值是在室温下的额定值是IB B=30pA=30pA和和IOSOS=3pA =3pA 4 4、MOSFETMOSFET输入输入Op AmpOp Amp 当采用金属氧化物半导体当采用金属氧化物半导体FETFET（MOSFETMOSFET）实现差分输）实现差分输入对时，入对时，IB B是栅极和沟道电容的漏电流。这个电流一般是是栅极和沟

14、道电容的漏电流。这个电流一般是在在几个皮安的数量级几个皮安的数量级上。上。TLC279CMOSTLC279CMOS：室温下的额定值是：室温下的额定值是IB B=0.7pA=0.7pA和和I0S0S=0.1pA=0.1pA19输入偏置电流漂移输入偏置电流漂移 20（五）输入保护（五）输入保护 当采用具有超低输入偏置电流的运算放大器当采用具有超低输入偏置电流的运算放大器时时, ,为了充分实现这些器件的能力，需要为了充分实现这些器件的能力，需要特特别注意接线和电路的装配别注意接线和电路的装配。 在这方面在这方面, ,数据单通常会给出有用的指导原数据单通常会给出有用的指导原则。最关心的是印刷电路板上的

15、则。最关心的是印刷电路板上的漏电流。它漏电流。它们会很容易超过们会很容易超过IB B，因此使在电路设计中艰因此使在电路设计中艰难实现的功能失效。难实现的功能失效。 21保护环布局和连接保护环布局和连接22保护环布局和连接保护环布局和连接23（六）、输入失调电压（六）、输入失调电压将运算放大器的输入短接，输出应为零；然而由于输入级将运算放大器的输入短接，输出应为零；然而由于输入级两部分之间存在固有的失配，输出不为零。为使输出等于两部分之间存在固有的失配，输出不为零。为使输出等于零，必须在输入管脚之间加入一个合适的零，必须在输入管脚之间加入一个合适的校正电压校正电压，这个，这个种偏移称为种偏移称为

16、输入失调电压输入失调电压。24由由V VOSOS产生的误差产生的误差OSVRRE1201直流噪声增益直流噪声增益25（1 1）、热漂移）、热漂移VosVos与与 温度有关，可用温度有关，可用温度系数温度系数TVVTCOSOS利用温度系数的平均值和下式利用温度系数的平均值和下式 CTVTCCVTVavgOSOSOS2525可预估不是可预估不是2525度的度的V VOSOS26（2 2）共模抑制比（）共模抑制比（CMRRCMRR）cmcmNPovavvavcmaaCMRR NosPNcmPovvvavCMRRvvavcmOSvVCMRR11V1V的的VcmVcm的变化使的变化使VosVos发生的改

17、变发生的改变27（3 3）供电电源抑制比（）供电电源抑制比（PSRRPSRR）SOSVVPSRR11V1V的的VsVs的变化使的变化使VosVos发生的发生的改变改变, , 随频率增加而变差随频率增加而变差如果将运算放大器的供电电压如果将运算放大器的供电电压VsVs变化一个给定的值变化一个给定的值Vs,Vs,那么就会改变内部晶体管的工作点那么就会改变内部晶体管的工作点, , 这将会使这将会使V V0 0发生微小发生微小的变化的变化. .1 1 采用稳压电源且适当旁路的电源供电，可忽略采用稳压电源且适当旁路的电源供电，可忽略PSRRPSRR的影响；的影响；2 2 在高精度的模拟电路中，不适合采用

18、开关电源；在高精度的模拟电路中，不适合采用开关电源；3 PSRR3 PSRR产生的失调电压，还要经直流噪声增益的放大。产生的失调电压，还要经直流噪声增益的放大。28供电电源抑制比（供电电源抑制比（PSRRPSRR）的例题：）的例题：如图所示，运算放大器使如图所示，运算放大器使用的是用的是741741，且，且R1=100R1=100和和R2R2=100k=100k。对于一个。对于一个峰峰值为峰峰值为0.1V0.1V，频率为，频率为120Hz120Hz的供电电源纹波，的供电电源纹波，预估输出端纹波的典型值预估输出端纹波的典型值和最大值。和最大值。1/PSRR1/PSRR的典型值和最大值分别为的典型

19、值和最大值分别为3030V/VV/V和和150150V/VV/V（直流处）（直流处）29(4)(4)输出摆幅引起输出摆幅引起VosVos的变化的变化avVS00称为初始输入失调电压的表达式：列出0000TC sVOSScmOSOSSVavPSRRVCMRRvTVVVo30例：一运算放大器有如下的额定值，例：一运算放大器有如下的额定值，=10=105 5V/VV/V（典型（典型值），值），10104 4V/VV/V（最大值）；（最大值）；TC(Vos)avg=3uV/TC(Vos)avg=3uV/o oC C，以及，以及CMRRCMRRdBdB= PSRR= PSRRdBdB=100dB=100

20、dB（典型值），（典型值），80dB80dB（最小值）。在（最小值）。在下 面 的 工 作 状 态 的 范 围 内 ：下 面 的 工 作 状 态 的 范 围 内 ： 0 0o oC T 7 0C T 7 0 o oC C ，Vs=Vs=15V15V5%5%，-1V Vp 1V-1V Vp 1V和和-5V Vo 5V-5V Vo 5V，估算估算VosVos在最坏情况以及最有可能情况下的变化。在最坏情况以及最有可能情况下的变化。avPSRRVCMRRvTvTCvoscmosos)(2222)( avPSRRVCMRRvTvTCvoscmosos最坏情况最坏情况( (最大值最大值 ) )最有可能情况

21、最有可能情况31（七）（七）IOS和和Vos 同时作用时的影响同时作用时的影响IOSOSOEIRRVRRE112112信号增益信号增益直流噪声增益直流噪声增益输出总失调误差输出总失调误差输入总失调误差输入总失调误差0EvAvISo不论同相和反相不论同相和反相输入输入, , 输入（输输入（输出）总失调误差出）总失调误差是相同的是相同的32考虑输入失调电压和考虑输入失调电压和输入失调电流，求输输入失调电流，求输出电压的表达式？出电压的表达式？思考题思考题ov为什么在积分电路中为什么在积分电路中, , 随着时间的变化随着时间的变化, , 零输入零输入时输出也容易饱和时输出也容易饱和( (常出现的问题

22、常出现的问题)?)?微调微调33（八）输入失调误差补偿（八）输入失调误差补偿内部失调调零内部失调调零内部调零基于故意使输入级失衡，以补偿固有失配，并使内部调零基于故意使输入级失衡，以补偿固有失配，并使误差为零。采用一个外部微调，就可以引入这种失衡。误差为零。采用一个外部微调，就可以引入这种失衡。741C741C数据单可以发现，失调电压可调范围一般是数据单可以发现，失调电压可调范围一般是15mV, 15mV, 这表明必须使这表明必须使mVEI15才会让电路补偿成功。既然才会让电路补偿成功。既然741C741C的的Vos=6mVVos=6mV最大值，这给最大值，这给 Ios os 引起的失调分配了引起的失调分配了9mV9mV。如果超过。如果超过9mV, 9mV, 就必须缩小就必须缩小外部电阻值，或采取外部调零。外部电阻值，或采取外部调零。输入失调电流限制了外部电阻的选择输入失调电流限制了外部电阻的选择34如图采用如图采用741C741C的运算放的运算放大器大器（失调电压可调范失调电压可调