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  问题: 运算放大器在结构上有哪些不同点
运算放大器在结构上有哪些不同点

关键词: 运算放大器, 区别     提问人: felixwoo   时间:2008-03-31 17:22    
 

  答复
运算放大器在基本结构上有许多不同点。最主要的一点是输入级的结构 。输入级几乎都是长尾对结构(一对放大器接成图42所示的形式),但器件的选择对运算放 大器输入参数的影响至关重要。为了避免对某种半导体器件的倾向性,这里给出的是热阴极 电子管图,因为目前的热电子器件一般都不采用集成电路芯片构成输入级,而只有单片运算 放大器才具有由双极型场效应管(FET)构成的输入级。

由双极型晶体管构成的长尾对式差分放大器如图43所示。它的主要特点是噪声很低并且适 当调整后失调电压也很低。另外,如果输入级的失调电压调整到最小,那么一定会有最小的 失调漂移。它的主要缺点是受晶体管的发射极电流和基极电流比例的限制。另外,如果发射 极电流 对输入级足够大以便有合适的带宽,那么基极电流(从而也使偏置电流)也要相当












图43 简单的双极型晶体管构成的差分放大 器
大(通用运算放大器为50~1 000 nA,高速运算放大器高达10 μA)。

反相输入端和同相输入端的偏置电流都是单极性的并且匹配得很好(两者之差称作失 调电流),其中偏置电流较小的一路随温度增加而减小。在许多应用中,使用精密匹配电阻 进行补偿来提高偏置电流。图44示出一个偏置电流补偿电路,其中同相输入端偏置电流经 过电阻RC(称作偏置补偿电阻)。RC用来补偿反相输入端偏置电流通过电阻R2时产生的 压降。RC的标称值应该等于电阻R1与R2的并联值,调整RC将非零失调电流引起的误 差调至最小。 这种偏置补偿仅当偏置电流匹配得很好的情况下才是有用的。如果匹配得不好,偏置补 偿电阻居然会引起误差。
如果规定的双极型输入级没有这么大的偏置电流,那么运算放大器的设计者可以采用不 同 形式的偏置补偿(见图45)。虽然采用相同的长尾对,但每个基极所需要的主要电流都是由 芯片内一个电流源提供













的。这样可使外部偏置电流减小到10 nA以下,不影响失调、温漂、 带宽或电压噪声,而且偏置电流随温度变化很小。
这种结构的输入级有两个缺点:一是电流噪声增加;二是外部偏置电流匹配得不好 (实际上,当芯片温度变化时,偏置电流可沿相反方向流动或改变极性)。对于许多应用来说 ,这两个缺点根本不算毛病。实际上,一种最常见的低失调运算放大器OP07就属于这种 结 构,同样OP27,OP37和AD707,它们的失调电压都仅为15 μV。当运算放大器产品说明 中明 确给出双极性偏置电流(例如±40nA)时,常常认为这种类型的放大器是偏置补偿放大 器。
在甚至几个纳安(nA)的偏置电流都不允许的情况下,通常用场效应管取代双极型晶体管 。在过去,MOSFET对运算放大器的输入级还存在一定的噪声,尽管现代半导体工艺正在克 服这个缺点。另外还因为MOSFET失调电压也相当高,所以为了制造高性能低偏置电流的运算 放大器,使用结型场效应管(JFET)作为输入级。典型JFET运算放大器输入级原理图如图46 所示。 JFET 的偏置电流与流过器件的电流无关,所以甚至宽频带JFET放大器可能有很低的偏置 电流(几十皮安是常见的),而且AD549在室温条件下保证偏置电流低于60 fA(每3 μs 一个电子)。 “在室温”这个条件是很重要的,此时JFET的偏置电流等于其栅极二极管的反向漏电流 ,而且硅二极








管的反向漏电流随温度每增加10°C大约增加一倍。JFET运算放大器的偏置电 流随温度变化并不稳定。实际上在25~125°C温度范围内,JFET运算放大器的偏置电流能增 加到1 000倍以上(这对于MOSFET运算放大器同样适用,因为多数MOSFET放大器的偏置电流 等于其栅极保护二极管的漏电流)。
JFET放大器的失调电压虽然在制造期间进行了调整,但是最小的失调不一定对应最小的 温 度漂移。因此,JFET运算放大器的电压失调和漂移应该分别调整,这样调整的结果要比最佳 双极型放大器的电压失调和漂移数值稍大一点(最佳JFET运算放大器的电压失调和漂移典型 值分别为250 μV和5 μV/°C)。但是ADI公司最近研究出一种新的专利调整方法,预期新一 代的JFET运算放大器将会得到极好的结果。
因此我们可以看出,运算放大器的失调电压、失调电压漂移、偏置电流、偏置电流漂移 和噪声之间存在着相互权衡的关系,而且选择不同的输入结构具有不同的输入特点。表41 比较了三种常见运算放大器输入结构的特点。
我们还应注意到以AD705为代表的另一类运算放大器,它采用超β双极型FET(BiFET) 工艺,它既具有低失调电压和低失调电压漂移,又具有低偏置电流和低偏置电流漂移。

问:用户还应该了解运算放大器哪些其它特性?
答:JFET运算放大器常遇到的一个问题是倒相问题。如果JFET运算放大器的输入 共模电压太靠近负电源,那么反相输入端与同相输入端的作用颠倒,即负反馈变成正反馈, 并且电路可能闩锁。这种闩锁不一定具有破坏性,但是要恢复正常必须关断电源。图47示 出了电路未出现闩锁情况下的这种倒相作用。使用双极型放大器或用某种方法限制信号 的共模范围可避免这种倒相问题。






简 单双极型偏置补偿双 极 型 FET输入级
失调电压失调电压漂移偏置电流偏置匹配偏置电流漂移噪声 低低高优良低低低低中差(电流可反向)低低 中 等中等 低-很低中等每增加10°C偏流加倍中等








如果输入信号比相应的运算放大器的电源电压更正或更负,那么在双极型和JFET运算放 大器中都会出现较严重的闩锁。如果输入端比+VS+07V更正或者比-VS-07V更负,那 么电流可能流过通常被偏置截止的二极管。这样同样可以导通由这个运算放大器的某 些扩散作用形成的晶闸管(SCR),使电源短路从而使器件损坏。
为了避免这种破坏性闩锁现象,重要的是防止运算放大器的两个输入端电压超过 电源电 压。在器件导通期间可能产生严重的后果:如果在接通电源电压之前对运算放大器加输入信 号,那么当接通电源时可能立即损坏运算放大器。不论什么时候出现危险,不论是超过电源 电压,也不论是运算放大器接通电源之前加输入信号,处于危险状态的两个输入端为防止出 现闩锁,都应该用二极管箝位(最好使用快速、低正向电压的肖特基二极管)。为防止二极管 电流过大还需要接限流电阻(见图48)。







这个保护电路本身也会带来问题。上述二极管的漏电流可能会影响该电流的误差估算。 如果使用玻璃封装的二极管,并且将其暴露在荧光环境下,那么由于光电效应,其漏电流 会以100 Hz或120 Hz频率被调制,从而会产生交流声及直流漏电流。限流电阻的热噪声可能 更 加损坏电路的噪声特性,而且流过限流电阻的偏置电流可能使失调电压明显增加。所有这些 影响,在设计这种保护电路时都应该考虑。

  回答人: 8wy103405   时间:2008-03-31 17:24  

  答复
答案很标准!~

  回答人: transformer   时间:2008-03-31 18:09  

  答复
运算放大器的结构形式主要有三种:模块、混合电路和单片集成电路。对于设计工程师来说,不仅是要知道所用产品的型号,而且还应熟悉生产这些产品的工艺,从而能够从一类放大器中选出一种放大器做特定的应用。表1 给出了各种运算放大器结构的性能情况。(www.mcpjs.com)

模块
目前使用几种工艺生产运算放大器,性能最高的放大器是以模块的形式由分立元件构成的。因为使用分立元件,所以可选用像高压输出晶体管、超低电流的FET管以及阻值很高的电阻等等这类专门制作的元件。在模块的设计中,在电气测试时(密封之前)通过对直流参数(比如失调电压)或交流参数(比如建立时间)进行细调的方法来选择电阻和电容是可能的。
模块工艺的缺点是实际的尺寸较大和价格高。由于每个模块都是单独构成的,大量加工制造是不现实的,并且制造成本相对地也是很高的,但是对于那些对性能有极高级别要求的特殊应用来说,由于模块运算放大器的规范由生产厂来保证,所以它们还是有吸引力的。模块运算放大器包括斩波稳定放大器、可变电抗静电计放大器和宽带高速放大器。

斩波稳定放大器
当需要放大(或缩小)电平极低的电压信号时,要使用斩波放大器。斩波放大器的内部是交流耦合的--有效的差动输入信号被斩波成方波,这个方波被解调和放大。交流耦合消除了许多与运放有关的误差,因此失调和漂移极低。斩波放大器的主要性能指标:
低失调电压  10 A
低失调漂移  0.1 V/℃
长期稳定性  1 V/年
高开环增益  107V/V
低温升漂移  3 V

静电计放大器
当需要尽可能高的输入阻抗和最低的偏置电流时,要使用静电计放大器。静电计放大器内部也是交流耦合的,输入信号被加到包括低漏流的变容二极管(电压可变电容)的电桥上,该电桥由高频载波信号所激励。输入电压引起电桥的不平衡,合成的交流误差信号被交流耦合到下一级,在那里被同步解调和放大。使用低漏流可变电容产生的输入电流低至10fA(1fA=10-15A),获得这样的低电流是以较高的失调电压为代价的。

高速放大器
用模块的形式可以很容易地构成高速放大器,集成电路结构的许多限制在这里不适用。例如,集成电路放大器由生产厂制作工艺造成的晶体管缺陷而引起的速度限制就不存在,模块的设计就可以使用具有所要求频响的经挑选的晶体管,由于许多宽带放大器被用在驱动75 负载的视频领域,所以必须提供大的输出电流。
对于这样输出特性所要求的功率,靠模快的较大热媒质来耗散要容易得多。超高速放大器性能如下:
快的建立时间  100ns(到0.01%)
转换速率    1000V/ s
全功率带宽   10MHz
输出电流    10mA

混合放大器
很多与模块结构同样的好处也适用于混合放大器,和模块的情形一样,可以把单一封装里用不同的(以及不相容的)工艺制作的元件组合起来,混合结构超过模块结构的优点是有较小的尺寸和较低的成本。通常把混合工艺应用于运算放大器是为了改善偏置电流、输出驱动能力或有超过单片或分立设计器件的带宽。

混合FET输入运算放大器:
低偏置电流 达75fA
低失调电压 达0.25mV
低漂移 达3 V/℃
适中的成本 5~10美元的范围内
直至最近,多数由精密匹配的FET差动放大器组成的FET输入放大器被单片运算放大器所取代,尽管现在能够用双极兼容工艺制造结型场效应管,但最高精度的 JFET输入运放仍旧用混合工艺技术制成。尽管能够购买一对分立的低漏流的FET管,并把741运放接在这一级的后面,但通常由混合单元可以获得更好的性能。例如,混合电路的规范由生产厂来保证并测试,任何需要的调整一般也由生产厂来完成,当然,一块封装好的混合放大器不比741占据更多的空间,而性能上却呈现数量级的增长。

宽带混合放大器
●可以在较小的封装里进行成对的模块设计在芯片形式上使用分立晶体管
●适用于视频应用
混合工艺也允许放大器由一批分立的高频晶体管构成,实际上,在采用与模块一样元件的混合形式中,使模块放大器电路成对也是可能的,但要采用未封装的芯片的形式。模拟器件公司的计算机实验室生产了各种各样的适合于视频应用的宽带混合放大器。

单片集成运算放大器
使用最广的运放是单片集成电路型,各种各样的集成电路运放是由许多不同的卖主处得到的,这些年来,设计和工艺方面的改善促使很高性能运放的形成,由于供特定应用所要求的运放规范常常支配选择最好的运放工艺,所以对于运放的用户来讲,至少要了解在集成电路运放制作中所采用的各种工艺,是很有用的。各种工艺的比较列于表2。(http://www.jy417.cn/index.asp )

  回答人: 世界地图   时间:2010-07-16 13:32  

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