电源正负限运算放大器的原理及应用作者：高光天文章来源：Internet 点击数： 810 更新时间：2007-12-5摘要：介绍电源正负限运算放大器的特点，输入级和输出级的结构及应用时须考虑的问题。

关键词：电源正负限运算放大器正限负限限区动态范围近年来计算机技术、通信技术和多媒体技术的迅猛发展促进模拟集成电路有了长足进步，其发展趋势之一是单电源、低功耗、低价格和高性能。

图1 ±15V电源电压情况下“限区”示意图图2 某些运放当输入信号超过规定的动态范围时出现的“倒相”从电源的角度来说，传统的双电源±15V供电系统已经不能满足现代电子技术发展的需要。

一方面，许多便携机和电池供电设备要求单电源、低功耗的器件，因为它们使用方便、耐用；另一方面，从计算机系统和数字信号及混合信号设备中获取单电源极为方便。

从器件的性能来说，从传统的双电源改为降低电压的单电源(比如从±15V改为±3V)，由于器件受单方向变化的限制，使其对失调电压、偏置电流、有限开环增益、噪声等引起的误差比较敏感，也势必影响带宽、转换速率和动态范围。

为了克服这些问题，必须采取特殊的电路结构和特殊的制造工艺。

因此近年来模拟器件制造商推出许多独具特色的新产品，其中电源正负限运算放大器(rail to rail operational amplifier)就是采用了特殊的电路结构，成功地解决了单电源工作条件下动态范围受到限制的问题。

本文综述了这类运算放大器的特点、原理及应用问题，希望对感兴趣的读者在应用过程中有所裨益。

1 特点电源正负限运算放大器是一种新型的运算放大器，因为它具有非常窄的限区(headroom)和极宽的输入或输出动态范围(下限接近或达到电源地，上限接近电源的正端电压或相差几毫伏)，所以近年来很流行。

为了说明电源正负限运算放大器的特点，我们先从普通的运算放大器谈起。

普通的双极运算放大器的电源电压一般为±15V(见图1)，其最大输入或输出动态范围与该电源的正限即正端电压(positive rail)或电源的负限即负端电压(negative rail)或单电源的地，通常要有2～3V固定的限区。

在给定输出负载条件下这个限区的大小基本上不随电源电压变化。

因此，对于普通的运算放大器，当其电源电压为±15V时，其输入和输出动态范围为±13V ；当其电源电压降低到单电源+5V时，其满度输出范围降到2×(2 5-2)=1 0V。

即使真正的单电源运算放大器，即其动态范围的下限可以达到电源的负限即电源地，而其动态范围的上限与电源正限之间仍然还有2～3V的限区。

在假定运放本底噪声不变的情况下，输入或输出动态范围降低，势必降低信噪比，从而限制了系统的有效分辨率。

相反，如果输入或输出信号超过运放规定的动态范围，即进入“限区”，特别是当接近电源的负限时，有时运放不但其线性变坏，而且会产生倒相或闩锁现象，如图2所示。

鉴于普通运放存在的上述问题，美国ADI公司研制出一系列新型运算放大器，使其限区减到最小，输入或输出动态范围接近电源的正限和负限(仅差几毫伏)，这就是电源源正负限运算放大器的特点，如图3所示。

2 原理2 1输入级结构普通运算放大器的输入级(见图4)使用NPN双极结型晶体管(BJT)(优点是宽频带、低噪声和低漂移，但功耗电流大)，或者结型场效应晶体管(JFE T)(优点是高输入阻抗、低漏电流、低偏置电流和低功耗)。

这两种输入级结构的共同缺点是，都要求使用双电源，并且相对电源的正限和负限都要求有2～3V的限区，以保证在规定的线性区正常工作。

在许多单电源应用中，仅要求输入达到电源电压的一个端电压(通常为地)。

使用PNP差动对管(或N沟道JFET对管)很容易设计出零伏输入的运算放大器，例如差动对管结构的AD8041/42/44，如图5所示(N沟道JFET结构的AD820/22/23/24，如图6所示)。

如果输入共模范围仅要求包括电源的正限，可使用NPN差动对管或P沟道JFET对管OP282/482。

在图6所示的JFET输入级中，当输入信号接近和图3 真正的电源正负限运算放大器的输入输出特性图4 采用BJT和JFET对管的普通输入级结构图5 允许输入达到电源负限的PNP对管输入级结构图6 允许输入达到电源负限的N沟道JFET对管输入级结构超过放大器的线性共模电压范围时，可能会出现倒相。

这是由于内部放大器前级饱和迫使后级进入截止状态。

由于输入级的结构不同，出现倒相的情况也不相同。

对于N沟道JFET输入级，在倒相期间，输出电压可达到电源电压的负限。

对于P沟道JFET输入级，在倒相期间，输出电压可达到电源电压的正限。

新型的JFET输入运算放大器AD820，在输入信号比电源电压高200mV的情况下，具有防止输出电压倒相的功能。

真正的电源正负限输入级要求有两个长尾对，其中一个长尾对为NPN双极晶体管对(或P沟道JEFT对)，另一个长尾对为PNP晶体管对(或N沟道JFET对)，如图7所示。

由于这两种长尾对具有不同的失调电压和偏置电流，所以当输入共模电压变化时，放大器的输入失调电压和输入偏置电流也跟着变化。

当两个电流源(Ⅰ 1 和Ⅰ 2 )在通过整个输入共模范围有效时，放大器的输入失调电压实际上是NPN和PNP长尾对的平均失调电压。

在输入共模电压的某点对电流源进行交替切换的应用场合，放大器的输入失调电压对于接近负电源的信号，主要由于PNP长尾对的失调电压决定，而对于接近正电源的信号主要由NPN长尾对的失调电压决定。

放大器的输入偏置电流不但是晶体管电流增益的函数，而且也是输入共模电压的函数。

与双电源精密器件相比，这种单电源放大器的输入偏置电流使其共模抑制(CMR)相当差，而且在共模输入电压范围内改变共模输入阻抗。

当选择电源正负限运算放大器时，尤其是同相放大器，应认真考虑上述技术指标。

输入失调电压、输入偏置电流，甚至CMR在部分共模范围上可能都相当好，但是在NPN和PNP长尾对之间交替工作区却相当坏，反之亦然。

因此在要求电源正负限输入的应用场合应认真考虑，一定要使选择的运算放大器输入失调电压、输入偏置电流、共模抑制和噪声电压及噪声电流满足要求。

2 2 输出级结构早期的集成运算放大器的输出级是带有NPN电流源或下拉电阻的NPN射级跟随器，如图8(a)所示。

正向信号的转换速率自然要比负向信号的转换速率快。

虽然所有现代运算放大器都具有某种形式的推挽输出级，但也有许多运放的输出级是非对称的，所以在某一方向上的转换速率要比其它方向上的转换速率快。

这种非对称性一般是由于NPN晶体管所采用的集成电路制造工艺优于PNP晶体管的制造工艺，从而还会导致输出电压接近电源正限和负限的能力不一样。

图7 电源正负限输入级结构图8 使用互补运算放大器输出级推挽驱动普通运算放大器的输出级另一种结构如图8(b)所示，采用NPN PNP射极跟随器对管，接成AB类工作方式。

放大器的输出动态范围受每只晶体管的V BE 及串联电阻压降IR的限制。

电源正负限运放器的输出级结构为图9所示。

使PNP和NPN晶体管的交流和直流性能匹配得相当好的集成电路工艺能够使输出电压动态范围和转换速率匹配得相当好。

但是采用双极结构型晶体管(BJT)构成的输出级不能使其动态范围完全达到电源的正限和负限，仅能达到电源正负限的晶体管饱和电压(V CESAT )范围内。

对于小的负载电流(小于100μA)，饱和电压可能低到5～10mV，但是对于较大的负载电流，例如50mA，饱和电压可能增加到几百毫伏(例如500mV)。

总之，这种输出级的动态范围受饱和电压、导通电阻和负载电流的限制。

另一方面，由CMOS场效应晶体管(FET)构成的输出级虽然具有真正的电源正负限输出特性，但仅当在无负载条件下才能达到。

如果输出级必须给出电流或者吸收电流，由于FET内部导通电阻(典型值为100Ω)，上的电压降使输出动态范围下降。

3 应用电源正负限运算放大器广泛应用于工业过程控制，移动通信设备、多媒体应用电路、电池供电仪表、单图9 电源正负限输出级动态范围限制因素电源传感器信号调理、DAC输出级放大和电源控制及管理等领域。

在选择电源正负限运算放大器时应考虑以下几个问题：(1)对于真正的电源正负限输入运算放大器，输入失调电压和输入偏置电流是外加输入共模电压的函数。

所以应用这类放大器的电路设计应当以减小由此产生的误差为目的。

反相放大器在同相输入端有一个虚地参考端，由于它保持输入共模电压不变，从而可以避免产生这些误差。

如果不接成反相放大器，则应当使用像OP284/OP484一类的放大器，因为它们不具有任何共模交迭阈值。

(2)由于输入偏置电流并不总是很小并且有不同的极性，所以为了减小输入偏置电流引起的失调电压和失真应当认真匹配信号源阻抗。

另外还要考虑使用的放大器在外加输入共模电压范围内应该使偏置电流变换特性很平缓。

(3)放大器的输出级增益依赖于负载，从而影响放大器的开环增益，势必影响闭环增益精度。

在精密应用中，如果阻性负载小于10k，应当选择开环增益大于30 000的运算放大器。

对于不需要真正的电源正负限输出动态范围的应用场合，可选择OPX13和OPX93系列运算放大器，其直流增益为0 2V/μV或更大。

(4)电源正负限输出电压动态范围与放大器输出级结构和负载电流有关。

饱和电压、导通电阻和负载电流都影响放大器的输出电压动态范围。

根据结构和功能不同电源正负限运算放大器可分为多种类型。

例如，正负限输入、正负限输出、正负限输入和输出运算放大器，+3V，+5V供电单电源运放，±15V双电源运放，以及单、双、四运放等。

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参考文献1 Analog Devices Inc.,Practical Analog Design Techniques,19962 Aualog Devices Inc.,High Speed Design Techniques,19963 Analog Devices Inc.,Analog Dialogue Vo1.29,No.3,19954 高光天 关于rail to rail amplifier一组新名词释名和定名的探讨 模拟器件天地 第1期1997年，电子产品世界，第1期1997年。