運(yùn)放單電源設(shè)計(jì)方法

運(yùn)算放大器（op-amp）簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，高集成度、可靠性，幾乎任何需要添加信號(hào)增益、調(diào)理功能的電子系統(tǒng)都可應(yīng)用運(yùn)算放大器。經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，雖然現(xiàn)在已有單電源型運(yùn)放產(chǎn)品（如AD875X系列），但有些場(chǎng)合仍希望將雙電源型運(yùn)放改為單電源下工作。這一點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)的，只是需要在輸入端加信號(hào)基準(zhǔn)電平提升電路，輸出端的靜態(tài)電平也不再為零，因此由雙電源改用單電源接法后更適合放大交流信號(hào)。1運(yùn)算放大器種類(lèi)一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于高阻抗信號(hào)源的應(yīng)用電路、采樣一保持電路、帶通濾波器等應(yīng)選用高輸入阻抗型運(yùn)放（如LF156）。對(duì)弱信號(hào)精密測(cè)量、高增益交流放大器、汽車(chē)電子及工業(yè)控制系統(tǒng)等應(yīng)選用高精度運(yùn)放（如OPA379）。對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)系統(tǒng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、通訊和視頻系統(tǒng)等應(yīng)選用高速運(yùn)放（如AD827）對(duì)于袖珍儀器、手機(jī)等以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品宜選用低電壓/低功耗運(yùn)放（如EL2071C）。對(duì)于無(wú)特殊要求的場(chǎng)合可采用通用型運(yùn)放（如UA741）。2運(yùn)放參數(shù)的確定運(yùn)放參數(shù)種類(lèi)繁多，在考慮性?xún)r(jià)比的基礎(chǔ)上選用最合適的運(yùn)放是設(shè)計(jì)者要考慮的問(wèn)題?？蓛?yōu)先考慮以下幾個(gè)參數(shù)：開(kāi)環(huán)增益&在給定的運(yùn)算帝度如気條件下應(yīng)滿(mǎn)足1/（觀(guān)屮）弐.1%,其中F為反愉系數(shù).如圖1＞圖2所示電路F二“.若閉環(huán)增益?近似100,即占丄二100,則觀(guān)＞1此R、帶寬BW對(duì)小信號(hào)而言，運(yùn)放閉環(huán)帶寬與閉環(huán)增益的乘積存在“增益帶寬積”不變的關(guān)系，其乘積等于單位增益帶寬；對(duì)大功率信號(hào)而言，一般比單位增益帶寬小約100倍；運(yùn)放一3dB閉環(huán)帶寬應(yīng)高于信號(hào)的最高工作頻率。優(yōu)值系數(shù)優(yōu)值系數(shù)，轉(zhuǎn)換速率SR大則運(yùn)放交流特性佳上限頻率高，如高速運(yùn)放一般SR>10V/a6；輸入偏流(inputbiasicurrent)I(BS)失調(diào)電壓(inputofsetvoltage)Vos越小則運(yùn)放直流特J性越好。3單電源供電運(yùn)放電路3.1反相交流放大器為使電路能對(duì)交流信號(hào)放大而不失真，單電源供電的運(yùn)放兩輸入端和輸岀端靜態(tài)電壓不能為0,必須大于輸岀交流信號(hào)幅値，一般取電源電壓％值的一半中圖I中為靜態(tài)偏置電阻，這樣運(yùn)放的輸入輸出端的靜態(tài)電壓為減小由于輸入偏流產(chǎn)生的失調(diào)課差應(yīng)使尺產(chǎn)岡嘰一紐來(lái)說(shuō)局、咼的阻值在Vcc為12V-15V時(shí)取lOOkn；%為5V高速運(yùn)放1船采用電流反饋式，為了不使大阻值創(chuàng)與分布參數(shù)形成低通濾波器過(guò)多降低上限頻率以及反應(yīng)速度，應(yīng)取較小阻值的號(hào)，如用AD811時(shí)丙的推薦值為"0°因此采用電流反饋式高速運(yùn)放時(shí)也應(yīng)減小盡和局的值，以減小輸入偏流產(chǎn)生的失調(diào)誤差，不然的話(huà)就要用FET輸入級(jí)的運(yùn)放。有時(shí)還可以在圖1中運(yùn)放同相輸入端與&局連接處間接一個(gè)電阻，防止在關(guān)機(jī)時(shí)G剩余的電壓損壞運(yùn)放。3.2同相交流放大器圖2中局、局組成分壓式倔置電路，一般使運(yùn)放的輸入輸岀端的靜態(tài)電壓為V4為減小誤差電壓應(yīng)使心二局為増加放大器輸入電阻而設(shè)◎本電路失去了直流應(yīng)用時(shí)的高輸入阻抗特性，由于輸入端共模信號(hào)較大對(duì)運(yùn)放閉共模抑制比耍求較商“電路環(huán)增益虧=1+乞。電路弓朋帶時(shí)取42kQ;%為工3V時(shí)選27kH左右。圖I電路輸入電阻較低為g輸出電阻低，共模輸入信號(hào)小對(duì)運(yùn)放共模抑制比要求不是很高；閉壞增益D、一丄0電路3dB下限頻率由血1，九2,fu3中髙者抉定，為使旁路效果好應(yīng)使幾丁為其他值的十分之一左右；電路-3dB±限頻率由氐和“增益帶寬積”決定：如UA741運(yùn)放SK=0.5V/ps,對(duì)正弦量根據(jù)5>>2兀fHV0M,〃是-3dB帶寛上限頻率，若輸出電壓叫=2.5V,則疑高工作頻率為30kHz;pA741的Ao為2x10^開(kāi)環(huán)帶寬為5Hz,根據(jù)増益帶寬積關(guān)系，在Af=50時(shí)〃為20kHz.寬下限頻牢由fL2>仏屁中高者決定，為使旁路效果好應(yīng)使/h為其他值的十分之一；放大器-3dB上限頻率也由弘和"増益帶寬積肝共同決定*單電源工作時(shí)，雙極型運(yùn)放的輸出交流電壓幅值達(dá)不到此』2。因?yàn)楫?dāng)輸出電壓幅值接近32時(shí)，運(yùn)放輸出端直流電位接近％或0,而這種情況下運(yùn)放內(nèi)部晶體管已進(jìn)入飽和或截止區(qū)從而對(duì)輸出電壓箝位。一般來(lái)說(shuō)輸出交流電壓幅值應(yīng)控制在小于（卩詔2丄5￥）,否則會(huì)產(chǎn)生削峰失真"若嬰擴(kuò)大輸岀電壓峰值可采用軌對(duì)軌運(yùn)放。在直流放大器中運(yùn)放輸岀端的靜態(tài)電壓誤差可用占咕（1+字）咯+勺估算，式中Q為失調(diào)電流（inputoffsetcurrent）Q而圖1、圖2所示的交流放大電路則對(duì)運(yùn)放的/嚴(yán)f倚要求不高。圖2同擁輸入觸丸器減法運(yùn)算（差分輸入）電路因偏置電阻配置要求高，調(diào)節(jié)不便而在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用不多。高增益放大器還存在工作穩(wěn)定性的問(wèn)題，可按廠(chǎng)家提供的相位補(bǔ)償法防止高頻自激，也可在運(yùn)放同、反相兩個(gè)輸入端間聯(lián)接RC串聯(lián)電路或在凡旁并聯(lián)電容器，為防止放大器上限頻率下移太多，補(bǔ)償電容容量不能太大。若考慮轉(zhuǎn)換速率，相位補(bǔ)償越是靠近前面部分，效果越好，當(dāng)然也帶來(lái)噪聲增大的問(wèn)題。如果Rf是頻率的函數(shù)則還可改變放大器的頻率特性。圖3輯壓偏査的同相輸入電站圖4穗壓儡理的辰相輸入電路為防止電源波動(dòng)及提高旁路性能還有另一種為單電源工作的運(yùn)放提供Vr./2的方法見(jiàn)圖3和圖4。圖中R3應(yīng)等于凡以減小輸出端直流偏置誤差，為防止穩(wěn)壓管噪聲影響，在低噪聲放大器應(yīng)用時(shí)C3容量選IOuF以上，V.的穩(wěn)壓值選擇在V},/2處，R2是V1的限流和偏置電阻。在低電壓供電如3.3V,則V,v/2只有1.65V,而穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值在3V以上，為此可采用三端穩(wěn)壓集成塊，如CW317輸出的穩(wěn)壓值可在1.25V-37V可調(diào)。3仿真結(jié)果目標(biāo)電路的理想工作條件為電源電壓VDDA為3V;VDDA低于2.5V時(shí)，輸出低電位；VDDA再次升高高于2.7V時(shí)，重新輸出高電位。因此，設(shè)置R1為1260W,R2為1240M,Ry為200M,QNPN1.QNPN2發(fā)射極面積比為&1。使用商用0.61tmBiCMOS工