集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)及理想模型分析詳解

集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)及理想模型分析詳解

正確使用集成運(yùn)算放大器必須了解影響其工作性能的主要參數(shù)，其中輸入誤差信號(hào)是影響運(yùn)放工作性能的重要參數(shù)之一。本文主要研究引起集成運(yùn)放輸入誤差信號(hào)的主要參數(shù)及減小其影響的方法。
關(guān)鍵詞：集成運(yùn)放 輸入誤差信號(hào) 輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入失調(diào)電流　
　
1　集成運(yùn)算放大器
　　集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)稱“集成運(yùn)放”或“運(yùn)放”，它實(shí)際上是一個(gè)直接耦合的高增益多級(jí)放大器。從原理上講，它與普通的放大器沒有多大區(qū)別，兩者都用于電壓放大或功率放大。但普通放大器的性能是由其內(nèi)部電路所決定的，而集成運(yùn)放的性能和工作方式主要由外部反饋電路決定。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，集成運(yùn)放總是以直接耦合放大器的形式出現(xiàn)，具有很高的電壓增益、輸入電阻和很低的輸出電阻。由于這種放大器以前只在模擬計(jì)算機(jī)中用于諸如加、減法和微、積分之類的數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名為“運(yùn)算放大器”。
　 市場(chǎng)上見到的集成運(yùn)放都是以單塊集成電路的形式出現(xiàn)的，其型號(hào)和封裝形式多種多樣，性能也各不相同，一般有以下兩種分類方法：
　（1）從運(yùn)算放大器的性能和用途上可以分為通用型和專用型兩種。兩者的主要區(qū)別是專用型運(yùn)算放大器在功能上或至少在某個(gè)性能上具有特殊性，它的某項(xiàng)性能指標(biāo)往往比通用型運(yùn)算放大器高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。其生產(chǎn)工藝也與通用型不同。
（2）從抑制漂移所采取的手段上可分為以電路參數(shù)相互補(bǔ)償?shù)脑韥硪种破频摹皡?shù)補(bǔ)償式集成運(yùn)算放大器”和以斬波穩(wěn)零原理來抑制漂移的“斬波穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器”。
2　運(yùn)算放大器的電路符號(hào)和理想模型
　 大多數(shù)集成運(yùn)放都是雙端輸入和單端輸出的高增益放大器。它的引出端子中，除了兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端外，還有兩個(gè)電源引入端、調(diào)零端，還有相位補(bǔ)償端和其它一些端子。在分析應(yīng)用電路時(shí)，常用帶兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的三角符號(hào)來代表運(yùn)算放大器，如圖1所示。

在圖1的運(yùn)放電路符號(hào)中，符號(hào)“＋”表示運(yùn)算放大器的同相輸入端，符號(hào)“－”表示反相輸入端。當(dāng)運(yùn)放工作在線性狀態(tài)時(shí)，總是滿足：　　

其中Aνd為運(yùn)算放大器的開環(huán)差動(dòng)電壓放大倍數(shù)?！　?BR> 為便于分析運(yùn)算放大器電路，常把運(yùn)放用一個(gè)等效的電路模型來代替。而根據(jù)不同的分析要求，運(yùn)放的模型又分為理想模型和實(shí)際模型。
　 所謂運(yùn)算放大器的理想模型，就是把實(shí)際的運(yùn)算放大器的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行理想化后得到的運(yùn)算放大器。其主要參數(shù)為：
差模電壓增益Aνd＝∞（1）
共模電壓增益Aνc＝0 （2）
差模輸入電阻Rid＝∞（3）
共模輸入電阻Ric＝∞（4）　
　輸出電阻r0＝0 （5）
另外，還有失調(diào)及漂移為0，帶寬為∞，噪聲為0等。
　　在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)運(yùn)算放大器使用深度負(fù)反饋。在這種條件下，運(yùn)放將滿足輸入端“虛短”（ν＋＝ν－）和“虛開”（ii＝0）。
3　一種非理想運(yùn)放模型
　 實(shí)際的運(yùn)放是非理想的。運(yùn)放的輸入大多是差分放大器結(jié)構(gòu)。理想情況下，當(dāng)兩個(gè)輸入端接地時(shí)，輸出電平應(yīng)為零。而實(shí)際運(yùn)放的輸出電平總是偏離零值。輸入誤差信號(hào)就是評(píng)價(jià)這種偏差值的參數(shù)，在輸入端往往將其折合到輸入端來表示。
　 屬于這類性能的參數(shù)有：輸入失調(diào)電壓VIO，輸入失調(diào)電壓溫漂αVIO，輸入偏置電流IIB，輸入失調(diào)電流IIO，輸入失調(diào)電流溫漂αIIO等。
（1）輸入失調(diào)電壓
　 輸入失調(diào)電壓的定義是：在室溫和標(biāo)稱電源電壓下，為使運(yùn)放輸出電壓為零而在輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。
VIO是由于構(gòu)成輸入端差分放大器兩個(gè)晶體管的Is不等引起的，抵消這一電壓必須在輸入端加一個(gè)與之反相的電壓。VIO的數(shù)量級(jí)在1μv～20mv之間。
（2）輸入失調(diào)電壓溫漂αVIO
　 輸入失調(diào)電壓溫漂是在一定溫度范圍內(nèi)失調(diào)電壓VIO的變化量與溫度T的變化量之比（ΔVIO ／Δ T），普通運(yùn)放的αVIO約為幾十μv／℃，但對(duì)低漂移運(yùn)放，該值往往小于1μv／℃，有的甚至小于0．1μv／℃。
（3）輸入偏置電流IIB
輸入偏置電流IIB是輸入端不加信號(hào)時(shí)流入兩輸入端的平均電流，即：,它的大小主要取決于運(yùn)放差分輸入級(jí)晶體管的β的大小。如果β過小將使IIB增大。通常IIB的數(shù)值在1nA～1mA之間，可見運(yùn)放的工作點(diǎn)是非常低的，這也決定了運(yùn)放的輸入阻抗很高。IIB的存在將使得在運(yùn)放輸入端的電阻上及信號(hào)源的內(nèi)阻上產(chǎn)生共模輸入電壓。
（4）輸入失調(diào)電流IIO及其溫漂αIIo
　 輸入失調(diào)電流IIO是輸入端不加信號(hào)時(shí)流入兩輸入端的電流之差，即：IIO＝IB1－IB2，它是由于運(yùn)放差分輸入級(jí)晶體管的β不等引起的。它的存在將使得在運(yùn)放輸入端的電阻上及信號(hào)源的內(nèi)阻上產(chǎn)生差模輸入電壓。
　 一般來說，運(yùn)放的IIB越大，IIO也越大，IIO隨溫度的變化而變化，常把指定溫度范圍內(nèi)IIO隨溫度的變化率稱為輸入失調(diào)電流溫漂αVIO，即：
　　 αIIo＝ΔIIO／ΔT
該值越小越好，通常的數(shù)量級(jí)為幾pA／℃。
考慮了會(huì)引起輸入誤差信號(hào)的各種參數(shù)后，將得到如下的非理想運(yùn)放模型：

在計(jì)算非理想情況下各參數(shù)對(duì)運(yùn)放的影響時(shí)，最好是利用線性迭加原理，分別計(jì)算。一個(gè)非理想運(yùn)放構(gòu)成反相放大器如圖3，如果Rp＝R1//Rf，其輸入端可以等效為圖4形式。


如果要求對(duì)Vi的測(cè)量誤差為δ%，則運(yùn)放的參數(shù)應(yīng)滿足下式：

其中VIM是Vi的最大值。
　 從（6）式左邊可以看出VIO的影響與外部電路無關(guān)，而IIO及IIB的影響則與外部電路有關(guān)，RP越大，則其影響越大，而RP＝R1／／Rf，可見在放大倍數(shù)確定的情況下，電阻R1和RP不能選得太大，但也不能太小，因?yàn)镽1是放大器的輸入阻抗，一般選幾十kΩ。另外IIB的影響還與KCMR有關(guān)，KCMR越大，其影響越小。
這里是假設(shè)運(yùn)放輸入端電阻平衡，即RP＝R1／／Rf，但如果兩者不等，則將產(chǎn)生新的差模電壓：

以上介紹的所有參數(shù)將使輸出電壓產(chǎn)生偏移電壓，該電壓可以通過外部調(diào)零的方法加以抵消，但該電壓易受溫度變化產(chǎn)生漂移，而這種漂移電壓不能通過外部調(diào)零加以抵消。因此，要想使放大器的偏移電壓和漂移電壓小，就應(yīng)當(dāng)選用低失調(diào)低漂移的運(yùn)算放大器。
4　結(jié)束語
　 實(shí)際的運(yùn)放是非理想的，它的輸出電壓將受到輸入誤差信號(hào)的影響，針對(duì)產(chǎn)生零漂的各種參數(shù)，必須采取相應(yīng)的措施，或選擇合適的運(yùn)放以消除或減小其影響。