單電源運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)考慮

摘要：為了減小產(chǎn)品尺寸、降低成本、延長(zhǎng)電池壽命、提高電池供電系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)人員加快了低電壓、單電源系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用趨勢(shì)。這種趨勢(shì)對(duì)消費(fèi)者是有益的，但卻使得為特定應(yīng)用選擇合適的運(yùn)算放大器變得復(fù)雜。

通常，單電源工作與低壓工作相同，將電源由±15V或±5V變?yōu)閱?V或3V，縮小了可用信號(hào)范圍。因此，其共模輸入范圍、輸出電壓擺幅、CMRR、噪聲及其它運(yùn)算放大器的限制變得非常重要。在所有工程設(shè)計(jì)中，常常需要犧牲系統(tǒng)在某方面的性能，以改善另一方面的性能。下面關(guān)于單電源運(yùn)算放大器指標(biāo)的折中討論也說明了這些低壓放大器與傳統(tǒng)高壓產(chǎn)品的不同。

輸入級(jí)考慮

輸入共模電壓范圍是設(shè)計(jì)人員在確定單電源運(yùn)算放大器時(shí)應(yīng)該考慮的首要問題，需要強(qiáng)調(diào)的是滿擺幅輸入能力可以解決這一問題，然而，真正的滿擺幅工作又會(huì)付出其它代價(jià)。

Maxim公司的大多數(shù)低壓運(yùn)算放大器能夠允許的共模電壓輸入范圍包含負(fù)電源電壓(表1)，但也只有一部分器件允許擴(kuò)展到正電源電壓。一般情況下，所允許的輸入電壓只能達(dá)到正電源電壓的1V或2V以內(nèi)。允許信號(hào)達(dá)到負(fù)電源電壓的運(yùn)算放大器稱為地感應(yīng)放大器，允許信號(hào)達(dá)到正、負(fù)電源電壓的運(yùn)算放大器稱作滿擺幅輸入放大器。

表1. Maxim的低壓運(yùn)算放大器

VOS和IB的考慮

很多應(yīng)用中，放大器能夠?yàn)橐缘貫閰⒖嫉男盘?hào)提供+2V/V或更高的增益。這些情況下，地感應(yīng)放大器足以處理信號(hào)的共模范圍，對(duì)于這種應(yīng)用，可以獲得比滿擺幅輸入運(yùn)算放大器更好的性能。典型的滿擺幅輸入級(jí)使用兩個(gè)差分對(duì)輸入，而不是一個(gè)(圖1)。


圖1. (a)滿擺幅輸入級(jí)有兩個(gè)差分對(duì)，(b)標(biāo)準(zhǔn)的地感應(yīng)輸入級(jí)只有一個(gè)差分對(duì)。

隨著輸入信號(hào)從一個(gè)電源擺幅移向另一個(gè)電源擺幅，放大器也從一個(gè)輸入差分對(duì)移向另一個(gè)輸入差分對(duì)。在交越點(diǎn)，這樣的移動(dòng)會(huì)引起輸入偏置電流和失調(diào)電壓的改變，影響這些參數(shù)的幅值和極性。失調(diào)電壓的變化通常會(huì)降低滿擺幅放大器(與地感應(yīng)放大器相比)的失真性能和精度指標(biāo)。為了將失調(diào)電壓的變化減至最小，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)輸入差分對(duì)到另一個(gè)輸入差分對(duì)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，Maxim在其滿擺幅放大器共模輸入范圍的高端和低端都對(duì)失調(diào)進(jìn)行了調(diào)理。

為減小輸入偏置電流引起的失調(diào)電壓，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保持運(yùn)算放大器同相端和反相端的阻抗匹配。因?yàn)檩斎肫秒娏魍ǔ１容斎胧д{(diào)電流大，所以，不僅對(duì)于滿擺幅輸入放大器，對(duì)其它所有放大器來說，阻抗匹配都是一個(gè)好的解決辦法。

為說明這一點(diǎn)，圖2給出了MAX4122-MAX4129系列運(yùn)算放大器(輸入、輸出均可達(dá)到滿擺幅)的輸入偏置電流隨共模電壓變化的曲線。隨著共模輸入電壓從0V緩慢上升至5V，輸入偏置電流絕對(duì)變化量為85nA (從-45nA至+40nA)。而技術(shù)指標(biāo)中的輸入失調(diào)電流僅為±1nA。因此，盡管偏置電流的大小、極性變化很大，但反相和同相輸入的曲線圖彼此很靠近(輸入失調(diào)電流)。通過保持同相端和反相端的阻抗匹配，可以將輸入偏置電流變化所引起的失調(diào)電壓降至最小。


圖2. 滿擺幅輸入放大器的共模輸入電壓從一個(gè)電源擺幅過渡到另一個(gè)電源擺幅時(shí)，輸入偏置電流的極性和大小都可能變化。

圖3給出了典型運(yùn)算放大器中保持反相和同相結(jié)構(gòu)阻抗匹配的方法。反相結(jié)構(gòu)(圖4)通過將放大器的共模輸入電壓保持在基準(zhǔn)電壓(VREF)，可以消除輸入偏置電流的變化。輸出為VOUT = (-VIN x R2/R1) + VREF (1 + R2/R1)。如果R2 = R1，該等式則變?yōu)閂OUT = -VIN + 2VREF。如果VREF = 2V，而VIN介于0V至 3V之間時(shí)，VOUT的范圍為4V至1V。由于共模范圍固定，CMR誤差也可以消除。表2列出了適用于低壓系統(tǒng)的參考值。


圖3. 保持反相端和同相端的電阻匹配，可以將(a)同相配置和(b)反相配置中由輸入偏置電流引起的失調(diào)誤差降至最小。


圖4. 保持固定的共模輸入電壓，反相放大器可消除共模抑制誤差。

表2. Maxim的低電壓基準(zhǔn)

擺率

用滿擺幅輸入放大器代替地感應(yīng)放大器時(shí)，擺率也會(huì)受到影響。地感應(yīng)放大器的簡(jiǎn)單輸入級(jí)具有多種提高擺率的工藝，而這些工藝不能用于具有兩個(gè)差分對(duì)的滿擺幅輸入放大器。例如，MAX4212系列運(yùn)算放大器(表1)為地感應(yīng)輸入，能夠在最大電源電流為7mA時(shí)達(dá)到600V/μs的擺率和300MHz帶寬。如果讓它提供滿擺幅輸入，所有其它參數(shù)保持不變，則擺率會(huì)降低幾倍。

輸出級(jí)考慮

低壓設(shè)計(jì)可能不需要滿擺幅輸入特性，但卻需要滿擺幅輸出，以盡量擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。因?yàn)檫\(yùn)算放大器在多數(shù)應(yīng)用中提供放大功能，所以輸出電壓通常大于輸入電壓。所以，并不總是需要滿擺幅輸入，卻常常需要滿擺幅輸出級(jí)，滿擺幅輸出級(jí)不同于雙電源運(yùn)算放大器中的輸出級(jí)。

滿擺幅輸出級(jí)一般包含一個(gè)共發(fā)射極放大器，標(biāo)準(zhǔn)的輸出級(jí)通常是射極跟隨器(見圖5)。共發(fā)射極輸出放大器的輸入、輸出壓降相對(duì)較低(集電極-發(fā)射極飽和電壓，或稱VCE(SAT))，但典型的射極跟隨器輸出與電源擺幅的差值大于VCE(SAT) (由電流源產(chǎn)生)與VBE (由輸出晶體管產(chǎn)生)之和。


圖5. 滿擺幅輸出級(jí)(a)共發(fā)射極結(jié)構(gòu)，(b)標(biāo)準(zhǔn)輸出級(jí)一般為射極跟隨器。

因?yàn)殡p極型晶體管的VCE(SAT)取決于流過晶體管的電流，所以雙極性運(yùn)算放大器的輸出擺幅與負(fù)載電流有關(guān)。由此可見，放大器雖然標(biāo)稱是滿擺幅輸出，但其輸出級(jí)實(shí)際上并不能夠達(dá)到滿電源幅度。例如，MAX4122的負(fù)載電阻為100kΩ，最大擺幅與正電源電壓相差12mV，與負(fù)電源電壓相差20mV。然而，負(fù)載為250Ω時(shí)，擺幅只能達(dá)到正電源電壓的240mV以內(nèi)、負(fù)電源電壓的125mV以內(nèi)。

對(duì)CMOS輸出級(jí)，雙極型晶體管的集電極-發(fā)射極電壓則對(duì)應(yīng)于MOSFET的漏-源電壓，漏-源電壓是MOSFET導(dǎo)通電阻和溝道電流之積。因此，MOSFET輸出級(jí)的電壓擺幅也是負(fù)載的函數(shù)。

增益與負(fù)載的關(guān)系

滿擺幅放大器的共發(fā)射極電路除了具有低輸入-輸出壓差外，其它參數(shù)也與射隨器不同。共發(fā)射極電路提供電壓增益，輸出阻抗相對(duì)較高；射隨器則提供單位增益，輸出阻抗較低。因此，滿擺幅運(yùn)算放大器通常提供一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，用于補(bǔ)償，而標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的補(bǔ)償電路一般位于前一級(jí)。對(duì)于滿擺幅運(yùn)算放大器，由此產(chǎn)生的增益受負(fù)載電流的影響，使其驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載時(shí)不穩(wěn)定。

這些滿擺幅輸出放大器的性能可通過仔細(xì)設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器加以改善，折衷辦法是提高電源電流，比射隨器輸出級(jí)的運(yùn)算放大器消耗更多的電流。MAX4122-MAX4129系列運(yùn)算放大器在驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載方面性能優(yōu)異(見表1)，這類運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)500pF時(shí)，滿擺幅輸入、輸出穩(wěn)定，可用于驅(qū)動(dòng)終端匹配不好的線纜和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的容性輸入級(jí)。由于能夠驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載，因此具有較好的大信號(hào)電壓增益，即使是在重載情況下。

開環(huán)增益與輸出擺幅

與所有運(yùn)算放大器一樣，滿擺幅輸出放大器的開環(huán)增益是輸出電壓擺幅的函數(shù)。因此，要評(píng)估滿擺幅輸出放大器，就必須給出指定電壓、負(fù)載下的增益。Maxim正是以這種方法給出增益，而有些廠家的數(shù)據(jù)資料中沒有這些數(shù)據(jù)。例如，某些運(yùn)算放大器的開環(huán)增益可以達(dá)到106dB，驅(qū)動(dòng)250Ω負(fù)載時(shí)能夠獲得與電源電壓相差125mV之內(nèi)的擺幅，但無法同時(shí)保證這兩個(gè)性能。例如，MAX4122-MAX4129數(shù)據(jù)資料在其“電氣特性表” (圖6)中明確給出了大信號(hào)電壓增益和輸出電壓擺幅(見圖6)，這些器件的大信號(hào)電壓增益隨輸出電壓和負(fù)載變化的曲線見圖7。


圖6. 大信號(hào)電壓增益應(yīng)包括不同負(fù)載下的指標(biāo)，輸出電壓擺幅也是驅(qū)動(dòng)負(fù)載的函數(shù)。


圖7. 滿擺幅輸出放大器增益隨負(fù)載、輸出電壓擺幅變化的曲線圖。

電荷泵運(yùn)算放大器

MAX4162系列運(yùn)算放大器采用一種創(chuàng)新方案的解決標(biāo)準(zhǔn)輸出級(jí)提供滿擺幅輸出的問題。運(yùn)算放大器采用典型的射隨器輸出級(jí)，但其內(nèi)部電荷泵為輸出級(jí)提供偏置電壓，從而獲得了滿擺幅輸出。電荷泵也給放大器的其它電路供電，因此，當(dāng)輸入級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)的地感應(yīng)結(jié)構(gòu)時(shí)，輸入可以在地與VCC之間變化。該系列運(yùn)算放大器的技術(shù)參數(shù)如表1所示，提供200kHz帶寬時(shí)，各器件吸收電流只有35μA (包括電荷泵)。放大器在保持低電源電流的同時(shí)，還可以驅(qū)動(dòng)相對(duì)較大的20Ω、500pF負(fù)載。

電荷泵的引入，放大器可以采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)，所以這些放大器的性能優(yōu)于滿擺幅運(yùn)算放大器。電荷泵運(yùn)算放大器的共模抑制比非常高，單輸入晶體管對(duì)兒不存在雙差分對(duì)之間切換時(shí)所引起的失調(diào)電壓變化問題。另外，即使在負(fù)載相對(duì)較大的情況下，其典型的射隨器輸出仍可保證較高的開環(huán)增益，同時(shí)，放大器即使在驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載時(shí)也能保持穩(wěn)定。

常見問題

單電源供電還使得噪聲、偏置和失真問題變得比較嚴(yán)重。

噪聲

單電源應(yīng)用一般電壓很低，低電壓使設(shè)計(jì)人員必須降低噪聲，以保持系統(tǒng)的信噪比。遺憾的是，低電壓通常要求低功耗，而隨著電源電流的降低，放大器噪聲會(huì)增大。其它條件相同時(shí)，低噪聲放大器的功耗較大。 估算運(yùn)算放大器的噪聲，需考慮所有噪聲來源：輸入電壓噪聲、輸入電流噪聲和由增益設(shè)置電阻引起的熱噪聲。圖8給出了電壓反饋運(yùn)算放大器的噪聲源。C1為運(yùn)算放大器反相輸入端的寄生電容，C2對(duì)高頻時(shí)的噪聲增益和信號(hào)帶寬進(jìn)行限制，R1/R2為標(biāo)準(zhǔn)增益設(shè)置電阻，R3用于平衡反相和同相輸入端的電阻。


圖8. 電壓反饋運(yùn)算放大器的主要噪聲源。

在低頻處，噪聲增益為1+R2/R1 (圖9)。噪聲增益的第一零點(diǎn)在1/2ΠR1C1，到達(dá)由C2產(chǎn)生的極點(diǎn)以前，以每十倍頻程6dB的斜率遞增；在極點(diǎn)1/2ΠR2C2處，噪聲增益變得平坦，等于1+C1/C2。隨后，噪聲增益曲線與放大器開環(huán)增益曲線相交，并開始以每十倍頻程6dB的斜率衰減(放大器開環(huán)增益的標(biāo)準(zhǔn)單極點(diǎn)滾降)。


圖9. 圖8放大器噪聲增益和開環(huán)增益圖。

因?yàn)檩斎腚妷涸肼?、同相電流噪聲和R3引起的噪聲在整個(gè)閉環(huán)帶寬內(nèi)積分，并與電流噪聲增益相乘，可以看出(根據(jù)噪聲增益和開環(huán)增益圖)，通過選擇低單位增益交越頻率的運(yùn)算放大器，使電路噪聲最小化。對(duì)反相輸入，由R1和R2引起的電流噪聲和熱噪聲只在信號(hào)帶寬(1/2ΠR2C2)內(nèi)積分。因?yàn)殡娏鞣答佭\(yùn)算放大器中沒有電容C2，所以這類運(yùn)算放大器的噪聲只在整個(gè)閉環(huán)信號(hào)帶寬內(nèi)積分。

失真

適當(dāng)?shù)姆糯笃鳝h(huán)路增益能夠使失真最小，否則在其輸入-輸出傳輸函數(shù)中將產(chǎn)生非線性。因?yàn)楦哳l處放大器增益減小，所以其諧波失真增加。

給定頻率時(shí)，如果運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域，并且環(huán)路增益最大，就可以獲得良好的諧波性能。這需要將輸出偏置遠(yuǎn)離電源電壓的位置，如圖4 (信號(hào)反相并加入一個(gè)偏壓)或圖10 (有偏壓，但信號(hào)沒有反相)所示。


圖10. 對(duì)輸入信號(hào)提供增益和偏壓，該電路將輸出偏置在遠(yuǎn)離電源電壓的位置。

圖4所示的反相配置通過保持共模輸入電壓不變來消除共模非線性，在滿擺幅輸入放大器中特別有用，因這些放大器的非線性是由共模輸入的變化引起的(輸入級(jí)從一個(gè)輸入差分對(duì)過渡到另一個(gè)輸入差分對(duì))。

我們?cè)訇P(guān)注一下輸出級(jí)，因?yàn)?，增益是?fù)載電流的函數(shù)，輕載時(shí)有助于改善滿擺幅放大器的諧波性能。放大器電壓的偏移量也會(huì)影響失真，所有運(yùn)算放大器在電壓漂移量最小時(shí)都有助于改善性能(內(nèi)部工作點(diǎn)不需偏移很大，保持在線性區(qū)域內(nèi))。放大器擺率大小與滿功率帶寬有關(guān)，同時(shí)也影響諧波失真。當(dāng)放大器工作在滿功率帶寬以外時(shí)，相關(guān)的擺率限制會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性。

產(chǎn)生另一路電源

高性能、單電源運(yùn)算放大器的應(yīng)用越來越來普及，但要最大限度地提高性能，有時(shí)還必須選擇雙電源供電的放大器。由于雙電源運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)沒有單電源設(shè)計(jì)的局限性，可選則的雙電源供電產(chǎn)品更多。

從正電源獲得負(fù)電源的方法非常多，開關(guān)型調(diào)節(jié)器最靈活，而電荷泵轉(zhuǎn)換器則最簡(jiǎn)單、體積最小、價(jià)格最低。因?yàn)殡姾杀檬褂猛饨与娙?而不是電感)提供電壓轉(zhuǎn)換，所以在提供輸入電壓的整數(shù)倍電壓(-VIN, +2VIN等)時(shí)效果最佳。輸出電壓一般沒有穩(wěn)壓，如果負(fù)載電流相對(duì)較小時(shí)，輸出電壓可以非常接近輸入電壓的整數(shù)倍。

因?yàn)殡姾杀玫撵o態(tài)電流可以非常小，所以輕載時(shí)效率很高。如圖11，電荷泵配置為產(chǎn)生一路負(fù)壓，電壓大小等于輸入電壓，但極性相反。通過引腳配置可以使內(nèi)部振蕩器頻率為13kHz、100kHz或250kHz，允許設(shè)計(jì)人員在靜態(tài)電流、電荷泵電容器尺寸或輸出電壓紋波等參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。


圖11. 簡(jiǎn)單、小巧、廉價(jià)的電荷泵可以輕松地從正電源產(chǎn)生負(fù)電源。