集成运算放大器主要参数及理想模型分析详解

集成运算放大器主要参数及理想模型分析详解

正确使用集成运算放大器必须了解影响其工作性能的主要参数，其中输入误差信号是影响运放工作性能的重要参数之一。本文主要研究引起集成运放输入误差信号的主要参数及减小其影响的方法。--摘要CH(结束)←--
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1　集成运算放大器
　　集成运算放大器简称“集成运放”或“运放”，它实际上是一个直接耦合的高增益多级放大器。从原理上讲，它与普通的放大器没有多大区别，两者都用于电压放大或功率放大。但普通放大器的性能是由其内部电路所决定的，而集成运放的性能和工作方式主要由外部反馈电路决定。为实现这一点，集成运放总是以直接耦合放大器的形式出现，具有很高的电压增益、输入电阻和很低的输出电阻。由于这种放大器以前只在模拟计算机中用于诸如加、减法和微、积分之类的数学运算，故得名为“运算放大器”。
　 市场上见到的集成运放都是以单块集成电路的形式出现的，其型号和封装形式多种多样，性能也各不相同，一般有以下两种分类方法：
　（1）从运算放大器的性能和用途上可以分为通用型和专用型两种。两者的主要区别是专用型运算放大器在功能上或至少在某个性能上具有特殊性，它的某项性能指标往往比通用型运算放大器高出几个数量级。其生产工艺也与通用型不同。
（2）从抑制漂移所采取的手段上可分为以电路参数相互补偿的原理来抑制漂移的“参数补偿式集成运算放大器”和以斩波稳零原理来抑制漂移的“斩波稳零集成运算放大器”。
2　运算放大器的电路符号和理想模型
　 大多数集成运放都是双端输入和单端输出的高增益放大器。它的引出端子中，除了两个输入端和一个输出端外，还有两个电源引入端、调零端，还有相位补偿端和其它一些端子。在分析应用电路时，常用带两个输入端和一个输出端的三角符号来代表运算放大器，如图1所示。

在图1的运放电路符号中，符号“＋”表示运算放大器的同相输入端，符号“－”表示反相输入端。当运放工作在线性状态时，总是满足：　　

其中Aνd为运算放大器的开环差动电压放大倍数。　　
为便于分析运算放大器电路，常把运放用一个等效的电路模型来代替。而根据不同的分析要求，运放的模型又分为理想模型和实际模型。
　 所谓运算放大器的理想模型，就是把实际的运算放大器的各项性能参数进行理想化后得到的运算放大器。其主要参数为：
差模电压增益Aνd＝∞（1）
共模电压增益Aνc＝0 （2）
差模输入电阻Rid＝∞（3）
共模输入电阻Ric＝∞（4）　
　输出电阻r0＝0 （5）
另外，还有失调及漂移为0，带宽为∞，噪声为0等。
　　在实际应用中，多数运算放大器使用深度负反馈。在这种条件下，运放将满足输入端“虚短”（ν＋＝ν－）和“虚开”（ii＝0）。
3　一种非理想运放模型
　 实际的运放是非理想的。运放的输入大多是差分放大器结构。理想情况下，当两个输入端接地时，输出电平应为零。而实际运放的输出电平总是偏离零值。输入误差信号就是评价这种偏差值的参数，在输入端往往将其折合到输入端来表示。
　 属于这类性能的参数有：输入失调电压VIO，输入失调电压温漂αVIO，输入偏置电流IIB，输入失调电流IIO，输入失调电流温漂αIIO等。
（1）输入失调电压
　 输入失调电压的定义是：在室温和标称电源电压下，为使运放输出电压为零而在输入端之间所加的补偿电压。
VIO是由于构成输入端差分放大器两个晶体管的Is不等引起的，抵消这一电压必须在输入端加一个与之反相的电压。VIO的数量级在1μv～20mv之间。
（2）输入失调电压温漂αVIO
　 输入失调电压温漂是在一定温度范围内失调电压VIO的变化量与温度T的变化量之比（ΔVIO ／Δ T），普通运放的αVIO约为几十μv／℃，但对低漂移运放，该值往往小于1μv／℃，有的甚至小于0．1μv／℃。
（3）输入偏置电流IIB
输入偏置电流IIB是输入端不加信号时流入两输入端的平均电流，即：,它的大小主要取决于运放差分输入级晶体管的β的大小。如果β过小将使IIB增大。通常IIB的数值在1nA～1mA之间，可见运放的工作点是非常低的，这也决定了运放的输入阻抗很高。IIB的存在将使得在运放输入端的电阻上及信号源的内阻上产生共模输入电压。
（4）输入失调电流IIO及其温漂αIIo
　 输入失调电流IIO是输入端不加信号时流入两输入端的电流之差，即：IIO＝IB1－IB2，它是由于运放差分输入级晶体管的β不等引起的。它的存在将使得在运放输入端的电阻上及信号源的内阻上产生差模输入电压。
　 一般来说，运放的IIB越大，IIO也越大，IIO随温度的变化而变化，常把指定温度范围内IIO随温度的变化率称为输入失调电流温漂αVIO，即：
　　 αIIo＝ΔIIO／ΔT
该值越小越好，通常的数量级为几pA／℃。
考虑了会引起输入误差信号的各种参数后，将得到如下的非理想运放模型：

在计算非理想情况下各参数对运放的影响时，最好是利用线性迭加原理，分别计算。一个非理想运放构成反相放大器如图3，如果Rp＝R1//Rf，其输入端可以等效为图4形式。


如果要求对Vi的测量误差为δ%，则运放的参数应满足下式：

其中VIM是Vi的最大值。
　 从（6）式左边可以看出VIO的影响与外部电路无关，而IIO及IIB的影响则与外部电路有关，RP越大，则其影响越大，而RP＝R1／／Rf，可见在放大倍数确定的情况下，电阻R1和RP不能选得太大，但也不能太小，因为R1是放大器的输入阻抗，一般选几十kΩ。另外IIB的影响还与KCMR有关，KCMR越大，其影响越小。
这里是假设运放输入端电阻平衡，即RP＝R1／／Rf，但如果两者不等，则将产生新的差模电压：

以上介绍的所有参数将使输出电压产生偏移电压，该电压可以通过外部调零的方法加以抵消，但该电压易受温度变化产生漂移，而这种漂移电压不能通过外部调零加以抵消。因此，要想使放大器的偏移电压和漂移电压小，就应当选用低失调低漂移的运算放大器。
4　结束语
　 实际的运放是非理想的，它的输出电压将受到输入误差信号的影响，针对产生零漂的各种参数，必须采取相应的措施，或选择合适的运放以消除或减小其影响。