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运放的原理、选型和应用

已有 7614 次阅读| 2010-3-21 15:22 |个人分类:常识

2. 运放的主要参数
本节以《中国集成电路大全》集成运算放大器为主要参考资料，同时参考了其它相关
资料。
集成运放的参数较多，其中主要参数分为直流指标和交流指标。
其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温
漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流
温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、
最大共模输入电压、最大差模输入电压。
主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等
效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。
2．1 直流指标
输入失调电压VIO：输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间
所加的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，
输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是
用于直流放大时。输入失调电压与
制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在
±1~10mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，
输入失调电压一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越
容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。
输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）αVIO：输入失调电压的温度漂移
定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是
输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂
移大小。一般运放的输入失调电
压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。
输入偏置电流IIB：输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的
偏置电流平均值。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的
地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的
标准硅工艺）的输入偏置电流在
±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。
输入失调电流IIO：输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏
置电流的差值。输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失
调电流越小。输入失调电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直
流放大时。输入失调电流大约是
输入偏置电流的百分之一到十分之一。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大
有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如10k欧姆或更大时），输入失调电
流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时
中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。
输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）：输入失调电流的温度漂移定义为
在给定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失
调电流的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用以直流信号处理或是小
信号处理时才需要关注。
差模开环直流电压增益：差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时，运放输
出电压与差模电压输入电压的比值。由于差模开环直流电压增益很大，大多数运放的差
模开环直流电压增益一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用
分贝方式记录和比较。一般运放的差模开环直流电压增益在80~120dB之间。实际运放的
差模开环电压增益是频率的函数，为了便于比较，一般采用差模开环直流电压增益。
共模抑制比：共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比
值。共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入中的共模干扰信号。由于
共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方
便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。
电源电压抑制比：电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放输入失调电压随
电源电压的变化比值。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。目前电源电
压抑制比只能做到80dB左右。所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时，运放
的电源需要作认真细致的处理。当然，共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压
抑制比，另外在使用双电源供电时，正负电源的电源电压抑制比可能不相同。
输出峰-峰值电压：输出峰-峰值电压定义为，当运放工作于线性区时，在指定的负载下，
运放在当前大电源电压供电时，运放能够输出的最大电压幅度。除低压运放外，一般运
放的输出输出峰-峰值电压大于±10V。一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压，
这是由于输出级设计造成的，现
代部分低压运放的输出级做了特殊处理，使得在10k负载时，输出峰-峰值电压
接近到电源电压的50mV以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）
运放。需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载有关，负载不同，输出峰-峰值电
压也不同；运放的正负输
出电压摆幅不一定相同。对于实际应用，输出峰-峰值电压越接近电源电压越好，这样可
以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。
最大共模输入电压：最大共模输入电压定义为，当运放工作于线性区时，在运放的共模
抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。一般定义为当共模抑制比下降6dB是所对应的共
模输入电压作为最大共模输入电压。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输
入电压范围，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。
最大差模输入电压：最大差模输入电压定义为，运放两输入端允许加的最大输入电压差。
当运放两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入电压时，可能造成运放输入级损
坏。
2．2 主要交流指标
开环带宽：开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输
出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db（或是相当于运放的直流增益的0.707）
所对应的信号频率。这用于很小信号处理。
单位增益带宽GB：单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒幅正弦
小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运
放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦
小信号放大时，单位增益错等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，
就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选
择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。
转换速率（也称为压摆率）SR：运放转换速率定义为，运放接成闭环条件下，将一个大
信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。
由于在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是
转换速率与闭环增益无关。转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运
放转换速率SR<=10V/μs，高速运放的转换速率SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速
率SR达到6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。
全功率带宽BW：全功率带宽定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将
一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）
的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率
/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号
处理中运放选型。
建立时间：建立时间定义为，在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个阶
跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时间。由于
是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时
间。稳定时间+上升时间=建立时间。对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度
越高，稳定时间越长。建立时间是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。
等效输入噪声电压：等效输入噪声电压定义为，屏蔽良好、无信号输入的的运放，在其
输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时，就称为
运放输入噪声电压（有时也用噪声电流表示）。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电
压有效值约10~20μV。
差模输入阻抗（也称为输入阻抗）：差模输入阻抗定义为，运放工作在线性区时，两输
入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输
入电容，在低频时仅指输入电阻。一般产品也仅仅给出输入电阻。采用双极型晶体管做
输入级的运放的输入电阻不大
于10兆欧；场效应管做输入级的运放的输入电阻一般大于109欧。
共模输入阻抗：共模输入阻抗定义为，运放工作在输入信号时（即运放两输入端输入同
一个信号），共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下，它
表现为共模电阻。通常，运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多，典型值在108欧以
上。
输出阻抗：输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电
压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。这个参数在开环
测试。