第二章運(yùn)算放大器靜態(tài)限制23學(xué)時(shí)

1、1第二章第二章 實(shí)際運(yùn)算放大器的靜態(tài)限制實(shí)際運(yùn)算放大器的靜態(tài)限制簡(jiǎn)化運(yùn)算放大器電路圖簡(jiǎn)化運(yùn)算放大器電路圖 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓低低輸入偏置電流運(yùn)算放大器輸入偏置電流運(yùn)算放大器輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流IOS和和VOS 同時(shí)作用時(shí)的影響同時(shí)作用時(shí)的影響輸入失調(diào)誤差補(bǔ)償輸入失調(diào)誤差補(bǔ)償2 實(shí)際運(yùn)算放大器與理想運(yùn)算放大器特性的一致實(shí)際運(yùn)算放大器與理想運(yùn)算放大器特性的一致是在是在恰當(dāng)?shù)念l率和適度的直流增益條件恰當(dāng)?shù)念l率和適度的直流增益條件下。下。 頻率或增益增加頻率或增益增加特性不斷惡化（因各種限制開特性不斷惡化（因各種限制開始起作用）始起作用） 最關(guān)鍵的限制之一最關(guān)鍵的

2、限制之一開環(huán)增益在幾赫茲的范圍內(nèi)開環(huán)增益在幾赫茲的范圍內(nèi)是高的，是高的，之后會(huì)隨輸入信號(hào)頻率增加，增益下降，之后會(huì)隨輸入信號(hào)頻率增加，增益下降，使閉環(huán)性能不斷惡化。使閉環(huán)性能不斷惡化。與此相關(guān)的缺點(diǎn)：限制運(yùn)算放大器對(duì)輸入突然變化與此相關(guān)的缺點(diǎn)：限制運(yùn)算放大器對(duì)輸入突然變化的響應(yīng)速度。的響應(yīng)速度。3當(dāng)工作頻率限制在相對(duì)較低的水平，是否還有限制？YES尤其在高直流增益場(chǎng)合尤其在高直流增益場(chǎng)合nnososB和i交流噪聲密度e輸入失調(diào)電壓V輸入失調(diào)電流I輸入偏置電流I輸入?yún)⒖颊`差（一）、簡(jiǎn)化（一）、簡(jiǎn)化Op AmpOp Amp電路圖電路圖輸入級(jí)輸入級(jí)第二級(jí)第二級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)5NPmovvgi11輸入級(jí)

3、跨導(dǎo)1mg：電流鏡像和：差分對(duì)管；和Q4Q3Q21Q輸入級(jí)：輸入級(jí)：該級(jí)可以檢測(cè)該級(jí)可以檢測(cè)到反相和同相輸入電壓到反相和同相輸入電壓v vN N和和v vP P的任何不平衡，的任何不平衡，并把它轉(zhuǎn)化為單端輸出并把它轉(zhuǎn)化為單端輸出電流電流i io1o1（二）、簡(jiǎn)化（二）、簡(jiǎn)化Op Amp-Op Amp-輸入級(jí)輸入級(jí)6TNPAovvIiV2tanh1NPvv IA A會(huì)在會(huì)在Q Q1 1和和Q Q2 2 間均分；間均分；任何失配會(huì)使任何失配會(huì)使IA A的大部分流經(jīng)的大部分流經(jīng)Q Q1 1而一小部分流經(jīng)而一小部分流經(jīng)Q Q2 2，或相反；，或相反；小信號(hào)情況斜率（跨導(dǎo)）小信號(hào)情況斜率（跨導(dǎo)）TAmV

4、Ig21大信號(hào)情況（過度驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)）大信號(hào)情況（過度驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)）A1I達(dá)到飽和值oi（具有負(fù)反饋的（具有負(fù)反饋的Op Amp Op Amp 是在何種情況工作？）是在何種情況工作？）mV100V4TNPvv7簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化Op Amp-Op Amp-第二級(jí)第二級(jí) 該級(jí)是由達(dá)林頓晶體管對(duì)Q5和Q6 ，以及頻率補(bǔ)償電容Cc組成。 達(dá)林頓是用于提供附加的增益和更寬的信號(hào)擺幅。 電容是用于穩(wěn)定運(yùn)算放大器,防止在負(fù)反饋應(yīng)用中所不希望有的振蕩產(chǎn)生。8簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化Op Amp-Op Amp-輸出級(jí)輸出級(jí) 基于射級(jí)跟隨器Q7和Q8 設(shè)計(jì)的這一級(jí)是用來提供低的輸出阻抗的。雖然其電壓增益近似為1，但其電流增益還是相當(dāng)高的，對(duì)

5、第二級(jí)起功率放大器的作用。9輸入偏置電流輸入偏置電流輸入級(jí)輸入級(jí)Q Q1 1和和Q Q2 2的的 和和 之間存在不可避免的失配，之間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。將兩電流的均值稱為將兩電流的均值稱為輸入輸入偏置電流偏置電流。12NPBIIINPosIIIIOSOS的幅度量級(jí)通常比的幅度量級(jí)通常比IB B小。小。IB B的極性取決于輸入晶體的極性取決于輸入晶體管類型，而管類型，而IOSOS極性則取決于失配方向。極性則取決于失配方向。（三）、輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流（三）、輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流BI輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流osI210由由IB

6、 B和和IOSOS所引起的誤差所引起的誤差在電阻反饋情況下，將有源在電阻反饋情況下，將有源輸入都置零的話，可得等效輸入都置零的話，可得等效電路如圖：電路如圖：NPIRVRRv2120/1PPPIRV00Ev 整理得：整理得：PPNIRIRRRRE21120/1其中其中利用疊加定理可得利用疊加定理可得11PPNIRIRRRRE21120/1由式由式可以得出四個(gè)結(jié)論可以得出四個(gè)結(jié)論: :1 1、無輸入信號(hào)，仍輸出無輸入信號(hào)，仍輸出Eo, Eo, 稱其為稱其為輸出直流噪聲輸出直流噪聲; ;2 2、E E0 0 是由輸入誤差是由輸入誤差( (或稱輸入直流噪聲，或稱輸入直流噪聲，E EI I) )放大放

7、大（1+R1+R2 2/R/R1 1）倍得到的，可將這個(gè)放大倍數(shù)稱為）倍得到的，可將這個(gè)放大倍數(shù)稱為直流噪直流噪聲增益聲增益; ;3 3、輸入誤差、輸入誤差E EI I由兩部分組成由兩部分組成; ;4 4、兩部分的極性相反，有互為補(bǔ)償?shù)内厔?shì)。、兩部分的極性相反，有互為補(bǔ)償?shù)内厔?shì)。 通常，誤差通常，誤差EoEo可能無法接受，必須采用適當(dāng)?shù)姆娇赡軣o法接受，必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ò阉抵量梢越邮艿乃?。法把它降至可以接受的水平。直流噪聲增益與信號(hào)增益的區(qū)別？直流噪聲增益與信號(hào)增益的區(qū)別？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的項(xiàng)的項(xiàng)，最后可得，最后可得osIRRRRE21120122OSBNOSBPIIIIII13式式可以看出：可以看出： 通過縮小所有的電阻可以進(jìn)一步降低通過縮小所有的電阻可以進(jìn)一步降低E E0 0； 如：如：將所有的電阻縮小將所有的電阻縮小1010倍不會(huì)影響增益，但倍不會(huì)影響增益，但可以使輸入誤差可以使輸入誤差 縮小縮小1010倍倍。縮小電阻會(huì)增加功率耗散，需要折中；縮小電阻會(huì)增加功率耗散，需要折中；如果如果E E0 0仍無法接受，那么選擇具更低仍無法接受，那么選擇具更低IOSOS值的運(yùn)算放大器。值的運(yùn)算放大器。OSIRR21osIRRRRE21120

9、114例：如圖所示的電路圖中，令例：如圖所示的電路圖中，令M2 . 2,k2221RR并令運(yùn)算放大器有并令運(yùn)算放大器有A80nIB和和 A20nIOS1 1、當(dāng)、當(dāng)R RP P=0=0時(shí)計(jì)算時(shí)計(jì)算E E0 0的值。的值。2 2、當(dāng)、當(dāng) 重做上題。重做上題。3 3、當(dāng)同時(shí)把所有電阻縮小、當(dāng)同時(shí)把所有電阻縮小倍，重做。倍，重做。、采用、采用nAnA的運(yùn)算放的運(yùn)算放大器，重做。大器，重做。試對(duì)這些結(jié)果給予評(píng)注。試對(duì)這些結(jié)果給予評(píng)注。 21RRRP15（三）、反饋電阻究竟應(yīng)該如何設(shè)置（三）、反饋電阻究竟應(yīng)該如何設(shè)置? ?運(yùn)放直流噪聲增益限制了電阻取值不能太大；運(yùn)放直流噪聲增益限制了電阻取值不能太大；大

10、電阻有大的熱噪聲和寄生電容；大電阻有大的熱噪聲和寄生電容；運(yùn)放最大輸出電流限制了電阻取值不能太小，否則不運(yùn)放最大輸出電流限制了電阻取值不能太小，否則不能驅(qū)動(dòng)負(fù)載；（能驅(qū)動(dòng)負(fù)載；（741741最大輸出電流最大輸出電流20mA20mA）反饋電阻的適當(dāng)范圍反饋電阻的適當(dāng)范圍：R Rs s、R Rf f為幾百歐至幾十千歐；為幾百歐至幾十千歐；R Rs s+R+Rf f為幾千歐至幾十千歐；為幾千歐至幾十千歐；16超高電流放大輸入的超高電流放大輸入的Op AmpOp Amp 采用具有極高電流增益的輸入采用具有極高電流增益的輸入BJTBJT是實(shí)現(xiàn)低是實(shí)現(xiàn)低 I IB B 的的一種方法。一種方法。 這種這種B

11、JTBJT稱為稱為具有超高電流放大系數(shù)晶體管具有超高電流放大系數(shù)晶體管, ,它采它采用非常薄的基極區(qū)域用非常薄的基極區(qū)域, ,使基極電流的復(fù)合分量最使基極電流的復(fù)合分量最小，可實(shí)現(xiàn)超過小，可實(shí)現(xiàn)超過10103 3A/AA/A的電流放大倍數(shù)。的電流放大倍數(shù)。 LM308LM308采用了這種技術(shù)。一般具有超高電流放大采用了這種技術(shù)。一般具有超高電流放大系數(shù)的運(yùn)算放大器的系數(shù)的運(yùn)算放大器的（四）低輸入偏置電流（四）低輸入偏置電流Op AmpOp Amp或更小A1nIBA5 . 1 nIOS17 電流相消實(shí)現(xiàn)低IB：由特定的電路預(yù)估對(duì)輸入晶體管進(jìn)行偏置所需的基極電流，然后在內(nèi)部提供這些電流。這使得從外

12、界看來，就好像運(yùn)算放大器可以在沒有任何輸入偏置電流的情況下能夠工作。 實(shí)際上，由于器件失配，相消是不完全的，因此輸入端仍會(huì)吸收殘余的電流。 輸入端殘余電流的幅度通常要比實(shí)際基極電流的幅度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。沒有必要在具有輸入電流相消得運(yùn)算放大器中安裝一個(gè)虛設(shè)電阻RP。 通常OP-07的額定值是： A1nIB和A4 . 0 nIOS2 2、輸入偏置電流相消、輸入偏置電流相消183 3、JFETJFET輸入輸入Op AmpOp Amp 這些器件采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（這些器件采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFETJFET）來實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)的）來實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)的差分對(duì)，而采用常規(guī)差分對(duì)，而采用常規(guī)BJTBJT來實(shí)現(xiàn)電路的其它部分。

13、現(xiàn)在來實(shí)現(xiàn)電路的其它部分。現(xiàn)在IB B是是JFETJFET的柵極和溝道之間的的柵極和溝道之間的PNPN結(jié)的反相偏置電流。在室溫結(jié)的反相偏置電流。在室溫下，這個(gè)電流一般在下，這個(gè)電流一般在幾十皮安的數(shù)量級(jí)或更小幾十皮安的數(shù)量級(jí)或更小。LF356 LF356 在室溫下的額定值是在室溫下的額定值是IB B=30pA=30pA和和IOSOS=3pA =3pA 4 4、MOSFETMOSFET輸入輸入Op AmpOp Amp 當(dāng)采用金屬氧化物半導(dǎo)體當(dāng)采用金屬氧化物半導(dǎo)體FETFET（MOSFETMOSFET）實(shí)現(xiàn)差分輸）實(shí)現(xiàn)差分輸入對(duì)時(shí)，入對(duì)時(shí)，IB B是柵極和溝道電容的漏電流。這個(gè)電流一般是是柵極和溝

14、道電容的漏電流。這個(gè)電流一般是在在幾個(gè)皮安的數(shù)量級(jí)幾個(gè)皮安的數(shù)量級(jí)上。上。TLC279CMOSTLC279CMOS：室溫下的額定值是：室溫下的額定值是IB B=0.7pA=0.7pA和和I0S0S=0.1pA=0.1pA19輸入偏置電流漂移輸入偏置電流漂移 20（五）輸入保護(hù)（五）輸入保護(hù) 當(dāng)采用具有超低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器當(dāng)采用具有超低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器時(shí)時(shí), ,為了充分實(shí)現(xiàn)這些器件的能力，需要為了充分實(shí)現(xiàn)這些器件的能力，需要特特別注意接線和電路的裝配別注意接線和電路的裝配。 在這方面在這方面, ,數(shù)據(jù)單通常會(huì)給出有用的指導(dǎo)原數(shù)據(jù)單通常會(huì)給出有用的指導(dǎo)原則。最關(guān)心的是印刷電路板上的

15、則。最關(guān)心的是印刷電路板上的漏電流。它漏電流。它們會(huì)很容易超過們會(huì)很容易超過IB B，因此使在電路設(shè)計(jì)中艱因此使在電路設(shè)計(jì)中艱難實(shí)現(xiàn)的功能失效。難實(shí)現(xiàn)的功能失效。 21保護(hù)環(huán)布局和連接保護(hù)環(huán)布局和連接22保護(hù)環(huán)布局和連接保護(hù)環(huán)布局和連接23（六）、輸入失調(diào)電壓（六）、輸入失調(diào)電壓將運(yùn)算放大器的輸入短接，輸出應(yīng)為零；然而由于輸入級(jí)將運(yùn)算放大器的輸入短接，輸出應(yīng)為零；然而由于輸入級(jí)兩部分之間存在固有的失配，輸出不為零。為使輸出等于兩部分之間存在固有的失配，輸出不為零。為使輸出等于零，必須在輸入管腳之間加入一個(gè)合適的零，必須在輸入管腳之間加入一個(gè)合適的校正電壓校正電壓，這個(gè)，這個(gè)種偏移稱為種偏移稱為

16、輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓。24由由V VOSOS產(chǎn)生的誤差產(chǎn)生的誤差OSVRRE1201直流噪聲增益直流噪聲增益25（1 1）、熱漂移）、熱漂移VosVos與與 溫度有關(guān)，可用溫度有關(guān)，可用溫度系數(shù)溫度系數(shù)TVVTCOSOS利用溫度系數(shù)的平均值和下式利用溫度系數(shù)的平均值和下式 CTVTCCVTVavgOSOSOS2525可預(yù)估不是可預(yù)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的變化使的變化使VosVos發(fā)生的改

17、變發(fā)生的改變27（3 3）供電電源抑制比（）供電電源抑制比（PSRRPSRR）SOSVVPSRR11V1V的的VsVs的變化使的變化使VosVos發(fā)生的發(fā)生的改變改變, , 隨頻率增加而變差隨頻率增加而變差如果將運(yùn)算放大器的供電電壓如果將運(yùn)算放大器的供電電壓VsVs變化一個(gè)給定的值變化一個(gè)給定的值Vs,Vs,那么就會(huì)改變內(nèi)部晶體管的工作點(diǎn)那么就會(huì)改變內(nèi)部晶體管的工作點(diǎn), , 這將會(huì)使這將會(huì)使V V0 0發(fā)生微小發(fā)生微小的變化的變化. .1 1 采用穩(wěn)壓電源且適當(dāng)旁路的電源供電，可忽略采用穩(wěn)壓電源且適當(dāng)旁路的電源供電，可忽略PSRRPSRR的影響；的影響；2 2 在高精度的模擬電路中，不適合采用

18、開關(guān)電源；在高精度的模擬電路中，不適合采用開關(guān)電源；3 PSRR3 PSRR產(chǎn)生的失調(diào)電壓，還要經(jīng)直流噪聲增益的放大。產(chǎn)生的失調(diào)電壓，還要經(jīng)直流噪聲增益的放大。28供電電源抑制比（供電電源抑制比（PSRRPSRR）的例題：）的例題：如圖所示，運(yùn)算放大器使如圖所示，運(yùn)算放大器使用的是用的是741741，且，且R1=100R1=100和和R2R2=100k=100k。對(duì)于一個(gè)。對(duì)于一個(gè)峰峰值為峰峰值為0.1V0.1V，頻率為，頻率為120Hz120Hz的供電電源紋波，的供電電源紋波，預(yù)估輸出端紋波的典型值預(yù)估輸出端紋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別為的典型

19、值和最大值分別為3030V/VV/V和和150150V/VV/V（直流處）（直流處）29(4)(4)輸出擺幅引起輸出擺幅引起VosVos的變化的變化avVS00稱為初始輸入失調(diào)電壓的表達(dá)式：列出0000TC sVOSScmOSOSSVavPSRRVCMRRvTVVVo30例：一運(yùn)算放大器有如下的額定值，例：一運(yùn)算放大器有如下的額定值，=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 狀 態(tài) 的 范 圍 內(nèi) ：下 面 的 工 作 狀 態(tài) 的 范 圍 內(nèi) ： 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在最壞情況以及最有可能情況下的變化。在最壞情況以及最有可能情況下的變化。avPSRRVCMRRvTvTCvoscmosos)(2222)( avPSRRVCMRRvTvTCvoscmosos最壞情況最壞情況( (最大值最大值 ) )最有可能情況

21、最有可能情況31（七）（七）IOS和和Vos 同時(shí)作用時(shí)的影響同時(shí)作用時(shí)的影響IOSOSOEIRRVRRE112112信號(hào)增益信號(hào)增益直流噪聲增益直流噪聲增益輸出總失調(diào)誤差輸出總失調(diào)誤差輸入總失調(diào)誤差輸入總失調(diào)誤差0EvAvISo不論同相和反相不論同相和反相輸入輸入, , 輸入（輸輸入（輸出）總失調(diào)誤差出）總失調(diào)誤差是相同的是相同的32考慮輸入失調(diào)電壓和考慮輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，求輸輸入失調(diào)電流，求輸出電壓的表達(dá)式？出電壓的表達(dá)式？思考題思考題ov為什么在積分電路中為什么在積分電路中, , 隨著時(shí)間的變化隨著時(shí)間的變化, , 零輸入零輸入時(shí)輸出也容易飽和時(shí)輸出也容易飽和( (常出現(xiàn)的問題

22、常出現(xiàn)的問題)?)?微調(diào)微調(diào)33（八）輸入失調(diào)誤差補(bǔ)償（八）輸入失調(diào)誤差補(bǔ)償內(nèi)部失調(diào)調(diào)零內(nèi)部失調(diào)調(diào)零內(nèi)部調(diào)零基于故意使輸入級(jí)失衡，以補(bǔ)償固有失配，并使內(nèi)部調(diào)零基于故意使輸入級(jí)失衡，以補(bǔ)償固有失配，并使誤差為零。采用一個(gè)外部微調(diào)，就可以引入這種失衡。誤差為零。采用一個(gè)外部微調(diào)，就可以引入這種失衡。741C741C數(shù)據(jù)單可以發(fā)現(xiàn)，失調(diào)電壓可調(diào)范圍一般是數(shù)據(jù)單可以發(fā)現(xiàn)，失調(diào)電壓可調(diào)范圍一般是15mV, 15mV, 這表明必須使這表明必須使mVEI15才會(huì)讓電路補(bǔ)償成功。既然才會(huì)讓電路補(bǔ)償成功。既然741C741C的的Vos=6mVVos=6mV最大值，這給最大值，這給 Ios os 引起的失調(diào)分配了引起的失調(diào)分配了9mV9mV。如果超過。如果超過9mV, 9mV, 就必須縮小就必須縮小外部電阻值，或采取外部調(diào)零。外部電阻值，或采取外部調(diào)零。輸入失調(diào)電流限制了外部電阻的選擇輸入失調(diào)電流限制了外部電阻的選擇34如圖采用如圖采用741C741C的運(yùn)算放的運(yùn)算放大器大器（失調(diào)電壓可調(diào)范失調(diào)電壓可調(diào)