1、第二節第二節 集成運放的性能參數集成運放的性能參數及其對應用電路的影響及其對應用電路的影響一、集成運放性能參數：一、集成運放性能參數：1、差模特性差模特性：是指集成運放在差模輸入信號作用下，所呈現的特性，相應的集成運放的電路模型如圖所示。vidvdvAvidvidRodRovvvvid根據電路模型可知vvvvvAoidovdvdvdAdBAlg20)(其值在80140dB(104107倍) 差模輸入電阻Rid，指集成運放兩輸入端之間呈現的視在電阻，M數量級。MOS集成運放Rid ，一般為106 M 。Rod 為輸出電阻，一般在200一下。一般情況下，上述各參數均為頻率的復函數，分別表示為：Av

2、d(j) 、Zid(j) 、Zod(j) 。 最大的差模輸入電壓范圍 VIDM ：是指輸入差分對管發射結不產生反向擊穿所能承受的最大輸入電壓。2、共模特性共模特性：是指集成運放在共模輸入信號作用下呈現的特性，屬于這一類特性的參數主要為，共模抑制比 KCMR ，共模輸入電阻 Ric 和最大的共模輸入電壓范圍 VICM 。計入共模參數后的電路模型，如圖所示：vidvdvAvidvidRoRovCMRicvdKvAicRicR根據定義有：vvvid2vvvicvcvdCMRAAK所以CMRicvdicvcocKvAvAvCMRicvdicvcocKvAvAv可將上是折算到輸入端，根據第183頁（4-

3、423式）已知：CMRicidKvv作為輸入誤差電壓，則電路模型可等效為：vidvdvAvidvidRodRovCMRicKvicRicRvidvdvAvidvidRodRovCMRicKvicRicR式中vcvdCMRAAK可表示為：CMRCMRKdBKlg20)(其值為：80120dB(104107)之間 。Ric 是集成運放輸入端對共模輸入信號的視在電阻，即每一個輸入端對地呈現的電阻，其值大于100M。VICM 、KCMR 、Ric 均為頻率的復函數。3、輸入直流誤差特性輸入直流誤差特性：是指集成運放的輸入失調特性，主要參數是輸入失調電壓VIO及其溫漂VIO ；輸入失調電流IIO 及其溫

4、漂 IIO ，計入這些參數后，電路模型則等效為：vidvdvAvidvidRodRovCMRicKvicRicRIBIIBIIOI21IOI21圖中2/(21）BBIBIII為輸入差放極兩邊輸入偏置電流平均值。（10100）AVIO 是輸出失調電壓為零時，兩輸入端之間所加的補償電壓，其值一般為mV量級。TVIOVIO是指 VIO 隨溫度的變化率。IIO 是輸出失調電流為零時，兩輸入端之間所加的補償電流，其值一般為量輸入端的差值。即：21BBIOIIITIIOIIO是指 IIO 隨溫度的變化率。4、大信號動態特性大信號動態特性：是指集成運放在大信號的作用下呈現的動態特性。其主要參數為轉換速率 S

5、R 及全功率帶寬 Bp等。五、電源特性l屬于這類特性的參數主要有：QEEQCCDIVIVP電壓允許的變化范圍 電源電壓抑制比(Power Supply Rejection Ratio)KSVR是指輸入失調電壓隨電源電壓的變化率，定義為CCOvdSRVVVAKEEOvdSRVVVAK常用分貝數表示，即SRVSRVKKlg20)dB(l電源靜態功率，定義為二、直流和低頻參數對性能的影響二、直流和低頻參數對性能的影響 通常集成運放為非理想器件，因此，有在直流和低頻工作時，不僅其增益和輸入電阻不為無窮大，輸出電阻也不為零，而且還存在著輸入失調和有限共模抑制比等引入的輸入誤差。 因此，在分析各種應用電路

6、時，得到的結果與理想化條件下得到的結果稍有不同。1、Avd 、Rid 、Rod 為有限值得影響：根據選取得電路可以不考慮 KCMR 、輸入失調等參數的影響，例如、反向放大器，可僅考慮Avd 、Rid 、Rod 影響。vidvdvAvSvidRodRov1RfRLR畫電路模型voRfR1vsRLvidvdvAvSvidRodRov1RfRLR根據電路模型列方程：fodsRvvRvRvv1LoodidvdofoRvRvAvRvvidvv求解方程組得：sovfvvAvdLfodfARRRRRR1111)1 (1vdLfodvfARRRRA式中fidRRRR/11fodLLRRRR/vfA為非理想值v

7、fA為理想值)1(1vdLfodvfvdARRRRAA此式，表明當 Avd 、Rid 、和 Rod 為有限值時，反相放大器的增益 Avf 與理想值 Avf =-Rf /R 1 之間的偏差與 Avd 的大小密切相關， Avd 越大， Avf 就越趨近于理想值Avf 。 實際上，從反饋觀點來看， Avd 越大，放大器就越接近深度負反饋， Avf 就越接近Avf ，同時，放大器的輸入電阻Rif 和輸出電阻Rod 也就越趨于零，在這種情況下，由信號源看進去的輸入電阻即為外接電阻 R1 。 可見，對反相放大器性能影響最大的是Avd ，相比之下Rid 和 Rod 的影響是次要的。2、KCMR 、Ric 為

8、有限值的影響 選用同相放大器為例，考慮到 Rod 很小，因此可忽略。vidvdvAvidvidRfRovCMRicvdKvAicRicR1RLRsv畫電路模型voRfR1vsRLvidvdvAvidvidRfRovCMRicvdKvAicRicR1RLRsvicidRR已知對與電路來說idRR 1所以svv ofvRRRv11vvvid2vvvicvidvdvAvidvidRfRovCMRicvdKvAicRicR1RLRsv由于v+ 十分接近于v- 所以有：icsvvvv根據電路模型可知：CMRicvdidvdoKvAvAvCMRvdvdKvAvvA)(CMRicvdidvdoKvAvAvC

9、MRvdvdKvAvvA)(CMRsvdofsvdKvAvRRRvA)(11已知11RRRf為同相放大器的理想增益值。CMRsvdovfsvdoKvAvAvAv)1(則sCMRvdvfvfovKAAAv)11 (1經整理得：令sCMRvdvfvfovKAAAv)11 (1vdvfvfvfAAAA1所以)1 (vdvfvfvfAAAAsCMRvfsvfovKAvAv由此可知，當 Avd 為有限值時，同相放大器增益與理想值之間的偏差取決于Avf 對 Avd 的比值， Avd越大，偏差就越小，顯然這與深度負反饋條件一致。sCMRvfsvfovKAvAv由此可知，由KCMR 產生的誤差電壓為：sCMR

10、vfovKAv因此有輸出的相對誤差CMRvfvfCMRvfooKAAKAvvCMRK1由此可見，由 KCMR 引起的相對偏差與KCMR 成反比， KCMR 越大，偏差就越小。 在同相放大器中，當 Avd 足夠大，并滿足深度負反饋條件時，它的輸出電阻Rod 趨于零，輸入電阻趨于無窮大，因此，呈現在 vs 端的輸入電阻為 Ric 。三、IIB 、IIO 、VIO 為有限值的影響2/ )(21BBIBIII為輸入差放級兩邊輸入偏置電流的平均值。VIO 是輸出失調電壓為零時，兩輸入端之間所加的補償電壓，稱為輸入失調電壓。IIO 是輸出失調電壓為零時，兩輸入端所加的補償電流，稱為輸入失調電流，其值為輸入

11、端輸入電流的差值。即：21BBIOIIIvoRfR1vsRLvoRfR1vsRL（1）、 IIB 、IIO 為有限值，令 VIO = 0為了討論方便起見，假設 KCMR 、Avd 、Rid 、Ric 、R od 均為理想值。 當集成運算放大器的其他參數均為理想值時，產生輸出誤差電壓vo ，主要是輸入直流偏置引起的，因此可以令輸入電壓 vs = 0，可的反相和同相放大器的電路模型。voRfR1vsRLvoRfR1vsRLvvLRfRov1RIBIIBIIOI21IOI21根據電路模型可知：0v0vv所以fIOIBoRIIv)21(由于IOIBII21可見產生的vo 主要是IIB 產生的。vvLR

12、fRov1RIBIIBIIOI21IOI21 為了克服IIB 的影響，一般在集成運放的同相輸入端外接特定電阻R 2 。電路模型如圖所示vvLRfRov1RIBIIBIIOI21IOI212RvvofvRRR11fRR /1IBIIBIIOI21IOI212R根據電路可知offIOIBvRRRRRIIv111)/)(21()/)(21(111fIOIBofRRIIvRRR2)21(RIIvIBIOvvofvRRR11fRR /1IBIIBIIOI21IOI212R)/)(21(111fIOIBofRRIIvRRRv2)21(RIIvIBIO若使 vv則)/)(21(111fIOIBofRRIIv

13、RRR2)21(RIIIBIO整理得)/(21)/(21112211fIOfIBIBIOfoRRIRRIRIRIRRRv)/(21)/(21112211fIOfIBIBIOfoRRIRRIRIRIRRRv 由此可以看出為了消除IIB 的影響，則應該消除方程中的IIB 的項。因此可以令fRRR/12故)/(21)/(211111fIOfIOfoRRIRRIRRRv)/(111fIOfRRIRRR fIORI 為了消除IIB 的影響，應該滿足電阻平衡條件。即從集成運放內部向外看，反相端對地的電阻，應該等于同相端對地的電阻。當實現電阻平衡條件后，IIO 產生的vo 直接與Rf 成正比。（2）、 II

14、B 、IIO 、VIO 為有限值電路模型如圖所示vvofvRRR11fRR /1IBIIBIIOI21IOI212RIOV根據電路模型有ofvRRRv11)/)(21(1fIOIBRRII2)21(RIIVvIBIOIO若使 vv vv即則有)/)(21(111fIOIBofRRIIvRRR2)21(RIIVIBIOIO經整理得)/(21)/(21112211fIOfIBIOIBIOfoRRIRRIVRIRIRRRvfRRR/12滿足電阻平衡條件所以)(211RIVRRRvIOIOfo此式表明：（1）、若R2 為大值，即滿足 VIO IIOR2 時，VIO 起主要作用，因此，為了減小vo ，應

15、選用VIO 小的集成運放。6.2.3 高頻參數對性能的影響l一、小信號頻率參數如上一章所述，采用內補償的集成運放可近似看成為一單極點系統，它的差模電壓增益表示為PvdvdjAjA1)(6-2-9)圖6-2-7示出了它的幅頻特性漸近波特圖。例如，F007集成運放，Avd108dB，fP Hz 。對于單極點系統， fP即為放大器的上限頻率，又稱為開環帶寬(Open Loop Band width)。即PfBW 當 w wp時，上式近似為)()(jAjAPvdvd(6-2-10)則使令, 1)()(,GvdvdGBWAfABWfBWAfABWvdPvdG(6-2-11)將式(6-2-11)代入式(6

16、-2-10)，Avd(jf)又可寫成fBWjfAGvd)j (6-2-12) BW和BWG是集成運放的兩個小信號頻率參數。在閉環應用時，BWG就是反饋放大器的增益帶寬積，可以直接顯示閉環增益Avf與閉環帶寬BWf之間的關系，即GfvfBWBWA(6-2-13)采用密勒電容補償時，集成運放作為單極點系統，可以采用圖6-2-8所示的簡化模型表示。由圖可見CjjVCjjVjVjIoioo)()()()(21集成運放的差模電壓增益近似為CjAjVjVjAgidovd)()()(將上式與式(6-2-12)比較，單位增益頻率可表示為CABWgG2(6-2-14) 二、大信號動態參數l1轉換速率集成運放的轉

17、換速率SR(又稱擺率)是指集成運放輸出電壓隨時間的最大變化速率，即max)(dttdvSoR根據圖6-2-8所示集成運放的簡化模型，輸出電壓與輸入差放級電流之間關系為CidttdvdttdvCdttvtvdCioooioo121)()()()(或者因而CIdttdvSQoRmax)(6-2-15)為了具體說明轉換速率對輸出電壓變化的影響，將集成運放接成同相跟隨器，如圖629(a)所示，并由輸入階躍電壓激勵，如圖629(b)所示，電壓幅度Vs足夠小，輸入差放級線性工作時，作為單極點系統，它的輸出電壓)1 ()(tOOeVtv引用式(6-2-14)，SR又可表示為)2(GgQRBWAIS(6-2-16)例如，對于圖6-2-8所示運放電路模型，其輸入差放級的Ag近似等于差分對管的跨導，即sBWsVCISMHzCVICgBWpFCAIVIgAGQRTQmgQTQmg67. 0)2(167. 004. 2)4()2(,30,20, )2(求得若已知所以，受轉換速率限制的輸出電壓VSVRO05. 0l2全功率帶寬(Full Power Band wi