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运算放大器输入和输出共模与差分电压范围

2014-8-13 15:34:22 5563

0 [size=11.818181991577148px]输入与输出电压范围 [size=11.818181991577148px]关于实际运算放大器的容许输入和输出电压范围，有一些实际的基本问题需要考虑。显 [size=11.818181991577148px]然，这不仅会根据具体器件而变化，还会根据电源电压而变化。我们可以通过器件选型 [size=11.818181991577148px]来优化该性能点，首先要考虑较为基础的问题。 [size=11.818181991577148px]任何实际运算放大器输入和输出端的工作电压范围都是有限的。现代系统设计中，电源 [size=11.818181991577148px]电压在不断下降，对运算放大器之类的模拟电路而言，3 V至5 V的总电源电压现在已十分 [size=11.818181991577148px]常见。这一数值和过去的电源系统电压相差甚远，当时通常为±15 V(共30 V)。 [size=11.818181991577148px]由于电压降低，必须了解输入和输出电压范围的限制——尤其是在运算放大器选择过程中。 [size=11.818181991577148px]输出共模电压范围 [size=11.818181991577148px]下图1大致显示了运算放大器输入和输出动态范围的限制，与两个供电轨有关。任何运算 [size=11.818181991577148px]放大器都由两个电源电位供电，用正供电轨+VS和负供电轨–VS表示。运算放大器的输入 [size=11.818181991577148px]和输出共模范围根据与两个供电轨电压限值的接近程度来定义。 [size=11.818181991577148px][/url] [size=11.818181991577148px]图1：运算放大器输入和输出共模范围 [size=11.818181991577148px]在输出端，VOUT有两个供电轨相关限制，即高电平(接近+VS)和低电平(接近–VS)。高电平时，范围可达饱和上限VS–VSAT(HI)(最大正值)。例如，如果+VS为5 V，VSAT(HI)为100 mV，则VOUT上限(最大正值)为4.9 V。同样，低电平时，范围可达饱和下限–VS + VSAT(LO)。因此，如果–VS为接地(0 V)，VSAT(LO)为50 mV，则VOUT下限为50 mV。显然，给定运算放大器的内部设计会影响该输出共模动态范围，必要时，器件本身的设计应当最大程度地减小VSAT(HI)和VSAT(LO)，以便实现最大输出动态范围。某些类型的运算放大器就采用了这样的设计，这些放大器通常采用单电源系统专用的设计。 [size=11.818181991577148px] [size=11.818181991577148px]输入共模电压范围在输入端，适用于VIN的共模范围也有两个供电轨相关限制，即高电平(接近+VS)和低电平 (接近–VS)。高电平时，范围可达共模上限+VS – VCM(HI)(最大正值)。仍以+VS = 5 V为例，如果VCM(HI)为1 V，则VIN上限(最大共模正值)为+VS – VCM(HI)或4 V。下图2所示为采用假设运算放大器数据时确定VCM(HI)的方法，如上方曲线所示。该运算放大器会在低于图中所示曲线的VCM输入下工作。 [size=11.818181991577148px][url=http://bbs.ednchina.com/images/attachments/201408/original/20140808151608218.jpg] [size=11.818181991577148px]图2：运算放大器输出共模范围图示 [size=11.818181991577148px]在实际操作中，实际运算放大器的输入共模范围通常规定为电压范围，不必以+VS或–VS 为参考。例如，典型的±15 V工作双电源运算放大器的额定共模工作范围为±13 V。低电平时，同样也存在共模下限。通常用–VS + VCM(LO)来表示，图2中所示为下方VCM(LO)曲线。如果该器件也是采用±15 V电源电压，就可以代表典型性能。以单电源为例，–VS = 0 V的情况下，如果VCM(LO)为100 mV，则共模下限为0 V + 0.1 V(即0.1 V)。本例显示的共模下限在100 mV的–VS范围之内，实际上更适合表示具有共模下限或上限(包括供电轨)的单电源器件。换言之，VCM(LO)或VCM(HI)为0 V。还有包括两个供电轨、具有共模范围的单电源器件。然而，单电源器件往往无法提供图形数据(例如图2所示的共模限值)但是会通过表格形式的额定电压范围来说明性能。运算放大器差分输入电压范围在正常工作模式下，运算放大器连接至反馈环路，因此，差分输入电压保持在0 V(忽略失调电压)。但在某些情况下(例如上电)，运算放大器可能会受到不等于0的差分输入电压影响。某些输入结构需要限制差分输入电压来防止其受损。这些运算放大器的输入通常还具有内部背靠背二极管，放大器的简化原理图中不一定会显示这些，但是会显示±700 mV (最大值)的差分输入电压规格。此外，图中还显示最大输入差分电流规格。有些放大器内置限流电阻，但这些电阻会提高噪声，因此在低噪声运算放大器中不予使用。输出电流与输出短路电流大多数通用运算放大器都有输出级，提供对地或对任一电源的短路保护。这通常称为无限短路保护，因为放大器可以无限地将该电流值输入短路电路。应由运算放大器提供的输出电流即为此时的输出电流。通常要设定限制，使运算放大器能够为通用运算放大器提供10 mA输出电流。如果运算放大器必须同时具备高精度和大输出电流，建议使用独立输出级(反馈环路内)，将精密运算放大器的自发热降至最低。该附加放大器通常称为缓冲器，因为其电压增益通常为1。有一些运算放大器能够提供大输出电流。例如AD8534，这是一种四通道器件，四个部分的输出电流均为250 mA。注意，如果同时从四个部分输出250 mA电流，就会超过封装功耗规格，放大器会过热，并且可能会损坏。对低功耗的较小封装而言，这一问题更加严重。高速运算放大器的输出电流通常不会限制在较低值，因为会影响其压摆率和驱动低阻抗的能力。大多数高速运算放大器的源电流和吸电流都在50至100 mA之间，但也有一些限制在30 mA以下。即使是具有短路保护的高速运算放大器，温度也可能会超过结温(由于短路电流较高)，从而导致器件由于长时间短路而受损。 1
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