1、第三讲第三讲 放大器应用的问题放大器应用的问题l 运算放大器的供电问题l 噪声l 静态Op Amp的限制l 动态Op Amp的限制内容提要内容提要运算放大器需要外部提供电源 给晶体管内部提供偏置 通过运算放大器将电源给输出负载和反馈网络供电3.1 运算放大器的供电问题运算放大器的供电问题运算放大器外部电源一般来说模拟电路：VCC=+15v VEE=-15v 模数混合电路：VCC=+5v VEE=0v运算放大器外部电源的接法仿真电路：虚拟器件 管脚 实际运算放大器电路：每块IC片子的电源管脚都必须利用低感抗的电容器对地旁路。作用：防止存在于电源线中干扰运算放大器地交流噪声。这些解耦电容器也有助于
2、中和掉来自电源线和地线的非零电抗所形成的虚假反馈环路，这些环路可能造成稳定性问题。具体接法：电源电压入电源电压入口电接口电接10 极化电容器。极化电容器。利用宽地线有利用宽地线有助于保持纯净助于保持纯净的参考地。的参考地。电容器应尽量电容器应尽量靠近运算放大靠近运算放大器管脚。器管脚。F输出饱和输出饱和 电源电压VCC和VEE设定了运算放大器在输出上下摆动能力的边界。对于双极性运放大器，VOH和VOL一般低于VCC和VEE几个pn结压降，大约2V。即对于对称15V电源来说，饱和电压也近似为对称的13V。对于单电源供电的运算放大器，例如VCC9V和VEE0V，VOH7V，VOL 2V。动态输出范
3、围：与运算放大器型号有关 与运算放大器不同样件有关，这是因为生产过程的变化，温度漂移和输出负载变化等因素造成的，具体可参阅产品说明书。在低电源电压供电系统中，就需要运算放大器有最大的动态输出范围。称之为跷跷板（rail-to-rail）式的运算放大器，被设计成在中等输出负载下，使vo一直摆动上至VCC和和下至VEE。混合数字模拟系统通常信号是限制在0V-5V范围内的。对于所有模拟源和负载的终端条件下，就会需要一个在 的参考电压，据此就容许对这个公共参考点有对称的电压摆动。(1 2)2.5VCCV例：利用741实现的反相放大器，A-2，现受一个10V峰峰值的三角波驱动，概略画出vI,vO和vN对
4、时间的波形并进行标注。2oIvv 当-6.5VvI 6.5V时，运算放大器工作在线性区0Nv 放大倍数是2，输出范围为20V，部分饱和 输出范围-13V13V 当vI 6.5V时，电路特性与vI 6.5V的情况是对称的。当vI 6.5V时，13Vov 2112()()(2 3)(1 3)(13)(2 3)(3 13)NIOIIvR vRvRRvv10V(2 3)10(3 13)2.333VINvv嵌位输出波形3.2 噪声噪声 噪声通常是指任何会污损或干扰所关心信噪声通常是指任何会污损或干扰所关心信号的不希望的扰动。号的不希望的扰动。直流噪声：偏置电流和输入失调电压引起的失调误差等交流噪声：外部
5、噪声（干扰噪声）内部噪声（固有噪声）干扰噪声的产生干扰噪声的产生 是由于电路和外界之间，甚至是电路自身的不同部是由于电路和外界之间，甚至是电路自身的不同部分之间多余的相互作用产生的。分之间多余的相互作用产生的。电的相互作用和磁的相互作用，是通过相邻电路之电的相互作用和磁的相互作用，是通过相邻电路之间或同一电路的相邻部分之间的寄生电容和互感产生的。间或同一电路的相邻部分之间的寄生电容和互感产生的。电磁干扰的出现因为每根导线和引线都构成一个潜电磁干扰的出现因为每根导线和引线都构成一个潜在的天线。外部噪声也可能会在无意间通过接地总线和在的天线。外部噪声也可能会在无意间通过接地总线和供电电源总线进入电
6、路供电电源总线进入电路。干扰噪声可以是周期的，间歇的或完全随机的。干扰噪声可以是周期的，间歇的或完全随机的。固有噪声的产生固有噪声的产生 尽管能够设法消除干扰噪声，电路总会存在尽管能够设法消除干扰噪声，电路总会存在固有噪声。这种噪声形式本质上就是随机的。固有噪声。这种噪声形式本质上就是随机的。它源于各种随机现象。例如，电阻中电子的它源于各种随机现象。例如，电阻中电子的热运动，半导体中电子空穴对随机地产生和重热运动，半导体中电子空穴对随机地产生和重组等。组等。信噪比信噪比 表示在噪声存在条件下信号的质量，表示在噪声存在条件下信号的质量，SNRSNR越差，就越难从噪声中恢复有用信号。越差，就越难从
7、噪声中恢复有用信号。210210logsnXSNRX信号的均方信号的均方根（根（rms）值）值噪声分量的噪声分量的rms值值噪声源噪声源热噪声热噪声 热噪声也成约翰逊噪声，存在于包括实际电感和实热噪声也成约翰逊噪声，存在于包括实际电感和实际电容的杂散串联电阻在内的所有无源电阻元件中。际电容的杂散串联电阻在内的所有无源电阻元件中。热噪声主要是由电子的随机热运动所产生的，它不热噪声主要是由电子的随机热运动所产生的，它不受直流电流的影响，因此电阻甚至是静放在任何地方也受直流电流的影响，因此电阻甚至是静放在任何地方也会产生热噪声。会产生热噪声。散粒噪声散粒噪声 无论何时对一个势垒（如二极管或晶体管）充
8、电，无论何时对一个势垒（如二极管或晶体管）充电，都会产生散粒噪声。穿过势垒完全是一个随机事件。都会产生散粒噪声。穿过势垒完全是一个随机事件。闪烁噪声也称为闪烁噪声也称为 噪声或接触噪声。它存在于所噪声或接触噪声。它存在于所有有源器件和某些无源器件中。有有源器件和某些无源器件中。闪烁噪声闪烁噪声1 f 根据器件类型的不同，产生闪烁噪声的原根据器件类型的不同，产生闪烁噪声的原因是多方面的。因是多方面的。在有源器件中，主要原因是陷阱。当电流流过时，在有源器件中，主要原因是陷阱。当电流流过时，它会随机地捕获和释放电荷载流子，因此会引起电流本它会随机地捕获和释放电荷载流子，因此会引起电流本身随机的波动。
9、身随机的波动。闪烁噪声也存在于某些无源器件中，在炭质电阻中，闪烁噪声也存在于某些无源器件中，在炭质电阻中，除了已存在的热噪声外还含有闪烁噪声，因此这种噪声除了已存在的热噪声外还含有闪烁噪声，因此这种噪声称为附加噪声。然而热噪声在没有直流电流的情况下也称为附加噪声。然而热噪声在没有直流电流的情况下也可能存在，而闪烁噪声要求有直流电流才存在。可能存在，而闪烁噪声要求有直流电流才存在。雪崩噪声雪崩噪声 雪崩噪声存在于工作在反向击穿模式的雪崩噪声存在于工作在反向击穿模式的pnpn结中。与结中。与散粒噪声类似，雪崩噪声也要求有电流流动。散粒噪声类似，雪崩噪声也要求有电流流动。除雪崩噪声以外，晶体管一般含
10、有以上所有噪声。除雪崩噪声以外，晶体管一般含有以上所有噪声。BJTBJT噪声噪声热噪声对于对于BJTBJT来说，噪声的功率密度来说，噪声的功率密度214()2nbmekT rg2122()(j)aCBnBIIiq IKff本征基极电阻本征基极电阻直流基极电流直流基极电流和集电极电流和集电极电流跨导跨导适当的器件常数适当的器件常数正向电流增益（它正向电流增益（它会在高频下降）会在高频下降）brBICICmqIgkTa1K(j)f热噪声集电极电流散粒噪声的影响基极电流散粒噪声和闪烁噪声反映到输入端的集电极电流散粒噪声Op AmpOp Amp噪声噪声运算放大器的噪声可用三个等效的噪声源来表征运算放大
11、器的噪声可用三个等效的噪声源来表征两个密度为两个密度为 和和 的的电流源电流源npinni一个频谱密度为一个频谱密度为 的的电压源电压源ne一个频谱密度为一个频谱密度为 的的电压源电压源 实际的放大器看成是一个输入端配上三个这实际的放大器看成是一个输入端配上三个这种噪声源的无噪声放大器种噪声源的无噪声放大器电阻反馈电路的噪声模型电阻反馈电路的噪声模型 关注总关注总rmsrms的输出噪声的输出噪声EnoEno，将它换算到输入端与有，将它换算到输入端与有用信号进行比较，从而确定信噪比用信号进行比较，从而确定信噪比SNRSNR。总输入频谱密度总输入频谱密度2222 223123124()ninnpn
12、neeR iRRikT RRR具有对称输入端和不相关噪声电流的运算放大器具有对称输入端和不相关噪声电流的运算放大器npnnniiinenpi3Rinni1Ri2Ri 是数据单中给出的噪声电流密度是数据单中给出的噪声电流密度ni222 228ninneeR ikTR总输入频谱密度总输入频谱密度可使可使123RRRR短路噪声短路噪声开路噪声开路噪声neni0R nineeR 2nineRi222 228ninneeR ikTR由运算放大器内部元件产生，与由运算放大器内部元件产生，与外部电路无关外部电路无关由输入偏置电流流过外部电路造成由输入偏置电流流过外部电路造成输出噪声频谱密度输出噪声频谱密度2
13、21211()noBRReffrmsrms输出噪声输出噪声1222 23222121312(ln1.57)(ln1.57)(1)()(ln1.57)4()(1.57)BBnwceBLnpwcipBLLLBnonnwcinBLLBLffefffR iffffffRERRifffRfkT RRRff 集成电路的噪声主要是由白噪声和集成电路的噪声主要是由白噪声和 噪声混合而成。低频噪声混合而成。低频 噪噪声其主要作用，高频白噪声起主要作用，并且频带越宽，噪声就越大声其主要作用，高频白噪声起主要作用，并且频带越宽，噪声就越大 1f1fnwenwi是白噪声电平是白噪声电平cefcif是边界频率是边界频率
14、低噪声设计中需要考虑的问题低噪声设计中需要考虑的问题选择具有低噪声电平和低边界频率的运算放大器选择具有低噪声电平和低边界频率的运算放大器保持外部电阻足够小，以使电流噪声和热噪声与保持外部电阻足够小，以使电流噪声和热噪声与电压噪声相比可以忽略电压噪声相比可以忽略把噪声增益带宽严格限制在要求的最小值上把噪声增益带宽严格限制在要求的最小值上例：例：将将741741运算放大器连接成反向放大器，且运算放大器连接成反向放大器，且1100kR 2200kR 368kR 已知已知20nVHznwe200Hzcef0.5pAHznwi2000Hzcif求大于求大于0.1Hz0.1Hz的总输出噪声的总输出噪声rm
15、srms值。值。解：解：1267kRR 2113noRAR 333kHzBf 输入一个峰值幅度为输入一个峰值幅度为0.5V0.5V的交流信号，求电路的的交流信号，求电路的SNRSNR。噪声电压分量噪声电压分量1 2393103 20 10200log 3331.57 333 100.10.143.5VnoeE 电流噪声分量电流噪声分量1 22233121 23432368 1067 100.5 102 10 ln 333 10523 10106.5VnoiE热噪声分量热噪声分量1 220333 1.65 106867523 1010102.4VnoRE总的输出噪声总的输出噪声rmsrms222
16、154VnonoenoinoREEEESNRSNR2soA 154 2=77VniE()0.52=0.354Vi msV620log 0.354(77 10)73.2dBSNR 对于噪声来说，对于噪声来说，和和 远大于远大于 ，可通过缩小所，可通过缩小所有电阻值来改善电路性能。有电阻值来改善电路性能。noiEnoREnoeE低噪声低噪声Op AmpOp Amp运算放大器噪声特性中的品质因素有白噪声电平运算放大器噪声特性中的品质因素有白噪声电平 和和 ，频率频率 和和 ，他们的值越低，运算放大器的噪声就会越少。，他们的值越低，运算放大器的噪声就会越少。nwenwicefcif差分输入对噪声差分输
17、入对噪声 适当选择晶体管型号，几何尺寸和工作电流可以使适当选择晶体管型号，几何尺寸和工作电流可以使差分输入对产生的噪声最小。差分输入对产生的噪声最小。用户是无法控制运算放大器的噪声特性的，然而，大致理解这些特性是如何产生的，有助于器件的选择过程。电压噪声和电流噪声非常依赖于输入级差分晶体管对的制造工艺和工作条件。电压噪声还会受输入对的负载和第二级的影响。当后面各级产生的噪声换算到输入端时，它的值通常是很小的，这是因为要将这个噪声除以所有正向通路上的总增益。输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路uPuNuO 集成运放电路方框图集成运放电路方框图集成运放的电路结构特点集成运放的电路结
18、构特点一、输入级：采用差分放大电路，两个输入端，减一、输入级：采用差分放大电路，两个输入端，减少温漂。少温漂。二、中间级：提供较高的电压放大倍数，共射放大电二、中间级：提供较高的电压放大倍数，共射放大电路，复合管放大，有源负载，放大上千倍。路，复合管放大，有源负载，放大上千倍。三、输出级：提供一定的电压、电流变化幅度，互补三、输出级：提供一定的电压、电流变化幅度，互补对称输出，带负载能力强。对称输出，带负载能力强。四、辅助环节：四、辅助环节：偏置电路偏置电路 （提供各级静态电流）；（提供各级静态电流）；电平偏移电路（调节各级电压配合，使输入端对地电电平偏移电路（调节各级电压配合，使输入端对地电
19、 压为压为0时，输时，输 出端对地电压也为出端对地电压也为0）；）；短路保护短路保护 （输出端短路时保护管子）。（输出端短路时保护管子）。通用型集成运放通用型集成运放F007电路原理图电路原理图四、采用复合管改善单管的性能。四、采用复合管改善单管的性能。结构特点：一、不能做大一、不能做大C C、L L，只能采用直接耦合方式。，只能采用直接耦合方式。二、为克服温漂，输入级采用差分放大电路。二、为克服温漂，输入级采用差分放大电路。三、用管子构成的恒流源代替大三、用管子构成的恒流源代替大R R及设置及设置Q Q。五、中间级多采用共射放大电路。五、中间级多采用共射放大电路。六、输出级多采用互补式电压跟
20、随电路。六、输出级多采用互补式电压跟随电路。直接耦合放大电路的零点漂移现象直接耦合放大电路的零点漂移现象零点漂移现象：输入电压为零，输出电压不为零且缓慢变化的现象。产生的原因：由于温度变化引起半导体参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因此也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。输入级采用差分电路的原因：输入级采用差分电路的原因：抑制温漂的方法：在电路中引入直流负反馈。利用热敏元件抵消放大管的变化。采用差分放大电路。典型的差分放大电路EQEQEQIIII221ReeBEQEEEQRUVI21EQBQII 差动放大电路原理差动放大电路原理 合理选择Re的阻值，并与电源VEE相配合，就可以设置合适当静
21、态工作点。差动的含义：只有当两个输入端之间有差别，输出电压才有变动。差动放大器具有抑制共模信号放大差模信号的特性。温漂和噪声等效成共模信号被抑制。共模放大倍数IcOccuuA 差模放大倍数IdOdduuA 共模抑制比cdCMRAAK改进的差分放大电路增大Re能有效抑制每一边电路的温漂，提高共模抑制比。为既能采用较低的电源电压，又能有很大的等效电阻Re，采用恒流源电路取代Re。差动放大电路的四种接法差动放大电路的四种接法 双端输入，双端输出 双端输入，单端输出 单端输入，双端输出 单端输入，单端输出单端输入，在差模信号输入的同时，伴随共模信号的输入。2IcIdOuAuAuOcdRAA与输出方式有
22、关。实例分析实例分析差分放大电路 开关向左典型的差动放大电路 开关向右改进的差动放大电路连接规则连接规则1、连接和、连接和common端子端子输出正极性信号，幅值等输出正极性信号，幅值等于信号发生器有效值。于信号发生器有效值。2、连接、连接common 和端子和端子输出负极性信号，幅值等输出负极性信号，幅值等于信号发生器有效值。于信号发生器有效值。双端输入双端输入函数信号发生器的面板连接规则连接规则3、连接、连接 和端子和端子输出信号的幅值等于信号输出信号的幅值等于信号发生器有效值的两倍。发生器有效值的两倍。4、连接、连接、common 和端子，和端子，且且common端与地相连端与地相连输出
23、两个幅度相等，极性输出两个幅度相等，极性相反的信号。相反的信号。函数信号发生器的面板 信号源的接入信号源设置双端接入电路图 SimulateAnalysesTransient Analysis 瞬态分析菜单 瞬态分析设置电压峰峰值差8.424.463.96单端输出电压放大倍数1233.96/2/50 10219.98ududAA瞬态分析结果增添分析变量电压峰峰值差双端输出电压放大倍数37.92/2/50 10239.6udA3.963.967.92 分析结果后处理功能后处理功能后处理后处理方法后处理分析结果单端输入单端输入差动放大器电路电压峰峰值差7.41 5.322.09单端输出电压放大倍数
24、1232.09/2/50 1020.9ududAA 瞬态分析结果分析结果电压峰峰值差1.991.983.97 双端输出电压放大倍数33.97/2/50 1039.7udA典型差动放大电路共模输入 瞬态分析结果瞬态分析结果电压峰峰值差228.02225.882.14mV双端输出共模放大倍数 22.14/1002.14 10ucA分析结果分析结果电压峰峰值差229.29229.120.17mV双端输出共模放大倍数 30.17/1001.7 10ucA改进差动放大电路共模输入分析结果低噪声运算放大器设计时，差分对BJT采用条状（长且狭窄的发射级两端都被基极接点包围）实现的，使 最小。br当应用要求大
25、外部电阻时，FET输入运算放大器是较好的选择，这是因为FET输入级运算放大器的噪声电流电平比BJT输入运算放大器的噪声电流电平的几个数量级，至少在室温附近是这样的。对MOSFET来说，1/f噪声也是一个重要因素，使用大面积器件可降低1/f噪声分量。输入对负载噪声输入对负载噪声 另一个重要的噪声源是差分输入对的负载，通用放大器中这个负载是用镜像电流源有源负载来实现的，以使增益最大。然而有源负载的噪声很大，这是因为它们会放大自身的噪声电流，低噪声运算放大器采用电阻性负载输入级避免这个问题。3.3 静态静态Op Amp的限制的限制 只要运算放大器工作在恰当的频段和适度的直流增益下，实际工作特性和基于
26、理想运算放大器模型预计的特性都会相当一致。最关键的限制之一是开环增益只从直流到几赫兹的范围是高的，随着频率增加而降低。尽管可将工作频率保持在一个相对较低的水平，另一些限制仍然会起作用。这些限制在高直流增益应用场合尤其值得注意，一般统称为输入参考误差，最常用的包括：输入偏置电流输入偏置电流输入失调电压输入失调电压输入失调电流输入失调电流交流噪声密度交流噪声密度 和和共模抑制比共模抑制比增益非线性度增益非线性度BIOSIOSVneniCMRR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2PNBIII 实际的运算放大器在它们的输入管脚都会吸收少量电流，对于实际的运算放大器在它们的输入管脚都会
27、吸收少量电流，对于某些应用，这些电流可能会产生值得注意的误差。某些应用，这些电流可能会产生值得注意的误差。输入偏置电流输入偏置电流输入失调电流输入失调电流OSPNIIIOSI 的幅度量级通常比的幅度量级通常比 小。小。的极性取决于输入晶的极性取决于输入晶体管的类型，而体管的类型，而 的极性则取决于失配方向。的极性则取决于失配方向。BIBIOSI由由 和和 引起的误差引起的误差BIOSI 很多电路一旦将它们的有源输入都置为零的话，都可以简化为下很多电路一旦将它们的有源输入都置为零的话，都可以简化为下图的形式。这些电路包括反相放大器、同相放大器，求和和差分放大图的形式。这些电路包括反相放大器、同相
28、放大器，求和和差分放大器，器，I-VI-V转换器等。转换器等。同相输入端电压同相输入端电压PPPVR I 212221(1)(1)OPNNPPvRR VR IR IRR R I误差误差2121(1)()OONPPREvRR IR IR没有任何输入信号，电路仍产生某个输出没有任何输入信号，电路仍产生某个输出 ，称之为，称之为输出直流噪声。输出直流噪声。由上式得出的结论由上式得出的结论OE电路产生的电路产生的 可考虑为某个输入误差或称之为可考虑为某个输入误差或称之为输入直流噪声输入直流噪声经放经放大大 倍而得到的，这个放大倍数称为倍而得到的，这个放大倍数称为直流噪声增益直流噪声增益。OE211RR
29、误差由两部分组成：由误差由两部分组成：由 流经流经 所产生的电压降所产生的电压降 ；由由 流经流经 组合所产生的电压降组合所产生的电压降 。PIPRPPI RNI12RR12()NRR I既然这两部分的极性相反，那么它们就有互为补偿的趋势。既然这两部分的极性相反，那么它们就有互为补偿的趋势。2121(1)()ONPPRERRIRIR2121(1)()OONPPREvRR IR IR将将变形为：变形为：212121(1)()()2OSOOPBPIREvRRRIRRRR若设：若设：12PRRR2121(1)()OOOSREvRR IR可以消去含有可以消去含有 的项，误差为：的项，误差为：BI使使
30、，误差正比于，误差正比于 ，它的幅度量级一般要比，它的幅度量级一般要比 和和 小小。采用具有足够低的采用具有足够低的 标称值的运算放大器。标称值的运算放大器。OSIBIPI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 ，缩小电阻不会影响增益，但，缩小电阻不会影响增益，但可以使输入误差可以使输入误差 缩小，然而缩小电阻会增加功率耗散，因此缩小，然而缩小电阻会增加功率耗散，因此需要进行某种折衷。需要进行某种折衷。OE12()OSRR I为使由为使由 和和 引起的误差最小引起的误差最小BIOSI12PRRROSI2121(1)()OOSRERR IR输入失调电压输入失调电压将运算
31、放大器输入短接将运算放大器输入短接()0OPNva vv由于输入级两部分之间存在失配由于输入级两部分之间存在失配0Ov 为使为使0Ov 必须在输入管脚之间加必须在输入管脚之间加入一个合适的校正电压入一个合适的校正电压()OPOSNva vVv由由 引起的误差引起的误差OSV21(1)OOOSREvVR 的取值可在毫伏到微伏范围上变化。的取值可在毫伏到微伏范围上变化。OSV01()tOOSEtV dRC()OSOVEttRC 对时间的积分得到的电压斜坡可将运算放大器驱动到饱和状态。对时间的积分得到的电压斜坡可将运算放大器驱动到饱和状态。OSV研究研究 和和 同时作用时的影响同时作用时的影响输入失
32、调误差补偿输入失调误差补偿OSVOSI21211(1)()OOSOSIREVRR IEROsIOvA vE反相放大器反相放大器21sRAR 同相放大器同相放大器211sRAR 信号增益信号增益sA2111RR 直流噪声增益直流噪声增益12()IOSOSEVRR I输入的总失调误差输入的总失调误差OE输出的总失调误差输出的总失调误差 因为因为 和和 极性是任意的，负号并不意味着这两项极性是任意的，负号并不意味着这两项有相互补偿的趋势。有相互补偿的趋势。OSVOSI21211(1)()OOSOSIREVRR IER失调调零失调调零内部失调调零内部失调调零 内部调零基于故意使输内部调零基于故意使输入
33、级失衡，以补偿固有失配，入级失衡，以补偿固有失配，并使误差为零。并使误差为零。外部失调调零外部失调调零 外部调零基于将可外部调零基于将可调的电压和电流注入到调的电压和电流注入到电路中，以补偿电路的电路中，以补偿电路的失调误差。失调误差。最大额定值最大额定值 与所有电子器件类似，运算放大器要求用户考虑到与所有电子器件类似，运算放大器要求用户考虑到某些电的和环境的限制。某些电的和环境的限制。运算放大器额定值的工作温度范围运算放大器额定值的工作温度范围商用范围：商用范围：0 07070工业范围：工业范围：-25-258585军用范围：军用范围：-55-55125125绝对最大额定值：绝对最大额定值：
34、最大供电电压最大供电电压最大差模输入电压最大差模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压最大内部功率耗散最大内部功率耗散3.4 动态动态Op Amp的限制的限制 实际运算放大器只从直流到给定频率范围之内提供高实际运算放大器只从直流到给定频率范围之内提供高增益，增益随着频率增加而降低，并且输出相对输入还会增益，增益随着频率增加而降低，并且输出相对输入还会有一个延时，这些限制对电路的闭环特性有很大的影响。有一个延时，这些限制对电路的闭环特性有很大的影响。单位增益频率单位增益频率上升时间上升时间闭环带宽闭环带宽增益带宽乘积增益带宽乘积全功率带宽全功率带宽转换速率转换速率tfBfRtGBPFPBSR建
35、立时间建立时间St开环响应开环响应12beqeqfR C最常见的开环响应是所谓的主极点响应最常见的开环响应是所谓的主极点响应主极点频率主极点频率运算放大器的开环响应运算放大器的开环响应0(j)1jbaa fff开环直流增益开环直流增益0a02(j)1()baa fff开环开环-3dB-3dB频率，也称为开环带宽。频率，也称为开环带宽。bf=0 dB=0 dBtffa称为单位增益频率称为单位增益频率tf(j)GBPa ff是常数。是常数。tGBPf主极点补偿的运算放大器为恒定主极点补偿的运算放大器为恒定GBPGBP运算放大器。运算放大器。闭环响应闭环响应1(j)11(j)idealA fATf环
36、路增益环路增益T T依赖于频率将会使闭环响应依赖于频率将会使闭环响应A A也依赖于频率也依赖于频率同相放大器同相放大器221101(j)(1)(1)(1j)1bRA fRRffRa0(j)1jbaa fff化简为化简为2021101(1)(1)1RARRRa0(j)(1j)BA fAff的形式的形式1012(1)BbRffaRR0211aRR01(j)1jBA fAff201(1)RARBtff112RRR反馈因子反馈因子利用利用单位增益频率单位增益频率0tbfa f闭环增益闭环增益 的直流增益是的直流增益是 ，3dB3dB频率是频率是 ，也称为闭环带宽。，也称为闭环带宽。(j)A f0ABf
37、同相放大器的增益带宽乘积同相放大器的增益带宽乘积0BtGBPAff由此可得增益带宽权衡，负反馈将增益降低，但是由此可得增益带宽权衡，负反馈将增益降低，但是将带宽扩展。这种扩频带技术是负反馈的一个重要将带宽扩展。这种扩频带技术是负反馈的一个重要优点。优点。反相放大器反相放大器01(j)1jBA fAff201RAR Btff112RRR反馈因子反馈因子反相放大器的增益带宽乘积反相放大器的增益带宽乘积210112212(1)BttRRGBPAffRRRRffRR 这个值低于同相放大器的这个值低于同相放大器的GBPGBP，从带宽最大的角度来看，从带宽最大的角度来看，同相放大器显然更加可取。同相放大器
38、显然更加可取。暂态响应暂态响应以电压跟随器为例，电压跟随器的小信号带宽是以电压跟随器为例，电压跟随器的小信号带宽是 ，可将，可将其频率响应写为：其频率响应写为：1(j)1jtA ffftf()(1)tomV tVe12tf 从从 的的1010上升到它的上升到它的9090所用的时间所用的时间 称为上升时间。称为上升时间。OvmVRt(ln.09ln0.1)Rt这表明了时域参数这表明了时域参数 与频域参数与频域参数 的联系，的联系，越高越高 就越小。就越小。RtRttftf转换速率极限转换速率极限SR:SR:表示集成运放对信号变化速度的适应能力指标表示集成运放对信号变化速度的适应能力指标。当输当输
39、入信号变化斜率的绝对值小于入信号变化斜率的绝对值小于SRSR（伏特（伏特/微秒）时，输出微秒）时，输出电压才能按线性规律变化。电压才能按线性规律变化。增大增大 ，为了能使输，为了能使输出在出在 内完成从内完成从1010到到9090的过渡，输出响应速率的过渡，输出响应速率也会相应增大。在实际中也会相应增大。在实际中发现，当输入阶跃大于某发现，当输入阶跃大于某个阶跃幅值时，输出斜率个阶跃幅值时，输出斜率就会在某一个常数处饱和，就会在某一个常数处饱和，这个常数称为转换速率这个常数称为转换速率SRSR。mVRt建立时间建立时间St 上升时间和转换速率分别在小信号和大信号条件下，上升时间和转换速率分别在
40、小信号和大信号条件下，显示了输出变化的快慢程度，在许多应用中，最关心的参显示了输出变化的快慢程度，在许多应用中，最关心的参数时建立时间数时建立时间 。StSt 的定义为：大输入阶跃响应从原点出发一直到开的定义为：大输入阶跃响应从原点出发一直到开始稳定并保持在一个给定的误差范围内所需的时间。始稳定并保持在一个给定的误差范围内所需的时间。一般规定建立时间要达到一般规定建立时间要达到10V10V输入阶跃响应的输入阶跃响应的0.10.1和和0.010.01的精度。的精度。如如AD843AD843运算放大器对运算放大器对10V10V阶跃的阶跃的0.010.01的精度来说，的精度来说，一般一般 135ns
41、135ns。StSt由由4 4个时间段组成个时间段组成 由高阶极点引起的初始传输延迟由高阶极点引起的初始传输延迟 受受SRSR限制的变化过程限制的变化过程 从与从与SRSR相关的过载状态中恢复过程相关的过载状态中恢复过程 最终平衡值的建立过程最终平衡值的建立过程 充分实现运算放大器建立时间的能力，在高速、高精度充分实现运算放大器建立时间的能力，在高速、高精度D-AD-A转换器、采样保持电路、多路复用放大器中尤其重要。转换器、采样保持电路、多路复用放大器中尤其重要。适当注意元器件的选择适当注意元器件的选择 布局和接地布局和接地使元件引线尽量短使元件引线尽量短采用金属膜电阻采用金属膜电阻电阻排放电
42、阻排放旁路供电电源旁路供电电源给输入、负载和反馈网络提供独立接地回路给输入、负载和反馈网络提供独立接地回路集成运放的主要参数集成运放的主要参数1 1、差模开环增益：、差模开环增益：oodPNuAuu2 2、共模开环放大倍数、共模开环放大倍数A Aococ：3 3、共模抑制比：、共模抑制比：20lgodCMRocAKA4 4、输入失调电压、输入失调电压U UIOIO：差放级参数对称程度静态指标：差放级参数对称程度静态指标,高精度运放的高精度运放的U UIOIO可达微伏级，一般为毫伏级。可达微伏级，一般为毫伏级。5 5、失调电压、失调电压温度系数温度系数：差放级参数对称程度动态指：差放级参数对称程
43、度动态指标，指温度变化时所产生的失调电压的变化标，指温度变化时所产生的失调电压的变化,一般一般为每度几十微伏。为每度几十微伏。6 6、输入失调电流、输入失调电流I IIOIO：差放级参数电流不对称程度静：差放级参数电流不对称程度静态指标，双极型对管为纳安级，场效应管可达皮安级态指标，双极型对管为纳安级，场效应管可达皮安级7 7、失调电流温度系数：衡量差放管在温度变化时失、失调电流温度系数：衡量差放管在温度变化时失调电流的变化程度的指标调电流的变化程度的指标,双极型对管为每度一纳安双极型对管为每度一纳安以下。以下。8 8、最大共模输入电压：输入级能正常工作情况下允、最大共模输入电压：输入级能正常
44、工作情况下允许输入的最大共模信号。许输入的最大共模信号。9 9、最大差模输入电压：不至于使、最大差模输入电压：不至于使PNPN结反向击穿所允结反向击穿所允许输入的最大差模信号。许输入的最大差模信号。1010、-3dB-3dB带宽带宽f fH H:是使是使Aod下降下降3dB时的信号频率。时的信号频率。1111、单位增益带宽、单位增益带宽f fBWGBWG（fc）:是使是使Aod下降到下降到0dB时时的信号频率。的信号频率。1212、转换速率、转换速率SR:SR:表示集成运放对信号变化速度的适表示集成运放对信号变化速度的适应能力指标应能力指标。当输入信号变化斜率的绝对值小于。当输入信号变化斜率的
45、绝对值小于SR时，输出电压才能按线性规律变化时，输出电压才能按线性规律变化1212、转换速率、转换速率SR:SR:表示集成运放对信号变化速度的适表示集成运放对信号变化速度的适应能力指标应能力指标。当输入信号变化斜率的绝对值小于。当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时，输出电压才能按线性规律变化时，输出电压才能按线性规律变化集成运放的种类集成运放的种类1、通用型：其性能指标适合于一般性使用、通用型：其性能指标适合于一般性使用2、低功耗型：静态功耗在、低功耗型：静态功耗在1mW左右左右3、高精度型：失调电压温度系数低于、高精度型：失调电压温度系数低于1V/C 4、高速型：转换速率在几百伏、高速型：转换速率在几百伏/微秒以上微秒以上5、高阻型：输入电阻在、高阻型：输入电阻在1012以上以上6、宽带型：带宽在、宽带型：带宽在10MHz以上以上7、高压型：允许供电电压在、高压型：允许供电电压在30V30V左右左右8、高功率型：允许供电电压较高，输出电流较大、高功率型：允许供电电压较高，输出电流较大9、跨导型：输入量为电压，输出为电流、跨导型：输入量为电压，输出为电流
