集成運算放大器主要參數及理想模型分析詳解

正確使用集成運算放大器必須了解影響其工作性能的主要參數，其中輸入誤差信號是影響運放工作性能的重要參數之一。本文主要研究引起集成運放輸入誤差信號的主要參數及減小其影響的方法。
?? 關鍵詞：集成運放 輸入誤差信號 輸入失調電壓 輸入偏置電流 輸入失調電流　
　
1　集成運算放大器
　　集成運算放大器簡稱“集成運放”或“運放”，它實際上是一個直接耦合的高增益多級放大器。從原理上講，它與普通的放大器沒有多大區別，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部電路所決定的，而集成運放的性能和工作方式主要由外部反饋電路決定。為實現這一點，集成運放總是以直接耦合放大器的形式出現，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算機中用于諸如加、減法和微、積分之類的數學運算，故得名為“運算放大器”。
　 市場上見到的集成運放都是以單塊集成電路的形式出現的，其型號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。兩者的主要區別是專用型運算放大器在功能上或至少在某個性能上具有特殊性，它的某項性能指標往往比通用型運算放大器高出幾個數量級。其生產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相互補償的原理來抑制漂移的“參數補償式集成運算放大器”和以斬波穩零原理來抑制漂移的“斬波穩零集成運算放大器”。
2　運算放大器的電路符號和理想模型
　 大多數集成運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，除了兩個輸入端和一個輸出端外，還有兩個電源引入端、調零端，還有相位補償端和其它一些端子。在分析應用電路時，常用帶兩個輸入端和一個輸出端的三角符號來代表運算放大器，如圖1所示。
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在圖1的運放電路符號中，符號“＋”表示運算放大器的同相輸入端，符號“－”表示反相輸入端。當運放工作在線性狀態時，總是滿足：　　
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其中Aνd為運算放大器的開環差動電壓放大倍數。　　
?? 為便于分析運算放大器電路，常把運放用一個等效的電路模型來代替。而根據不同的分析要求，運放的模型又分為理想模型和實際模型。
　 所謂運算放大器的理想模型，就是把實際的運算放大器的各項性能參數進行理想化后得到的運算放大器。其主要參數為：
????????????????? 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，還有失調及漂移為0，帶寬為∞，噪聲為0等。???
　　在實際應用中，多數運算放大器使用深度負反饋。在這種條件下，運放將滿足輸入端“虛短”（ν＋＝ν－）和“虛開”（ii＝0）。
3　一種非理想運放模型
　 實際的運放是非理想的。運放的輸入大多是差分放大器結構。理想情況下，當兩個輸入端接地時，輸出電平應為零。而實際運放的輸出電平總是偏離零值。輸入誤差信號就是評價這種偏差值的參數，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有：輸入失調電壓VIO，輸入失調電壓溫漂αVIO，輸入偏置電流IIB，輸入失調電流IIO，輸入失調電流溫漂αIIO等。
? （1）輸入失調電壓
　? 輸入失調電壓的定義是：在室溫和標稱電源電壓下，為使運放輸出電壓為零而在輸入端之間所加的補償電壓。
??? VIO是由于構成輸入端差分放大器兩個晶體管的Is不等引起的，抵消這一電壓必須在輸入端加一個與之反相的電壓。VIO的數量級在1μv～20mv之間。
? （2）輸入失調電壓溫漂αVIO
　 輸入失調電壓溫漂是在一定溫度范圍內失調電壓VIO的變化量與溫度T的變化量之比（ΔVIO ／Δ T），普通運放的αVIO約為幾十μv／℃，但對低漂移運放，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是輸入端不加信號時流入兩輸入端的平均電流，即：,它的大小主要取決于運放差分輸入級晶體管的β的大小。如果β過小將使IIB增大。通常IIB的數值在1nA～1mA之間，可見運放的工作點是非常低的，這也決定了運放的輸入阻抗很高。IIB的存在將使得在運放輸入端的電阻上及信號源的內阻上產生共模輸入電壓。
? （4）輸入失調電流IIO及其溫漂αIIo
　 輸入失調電流IIO是輸入端不加信號時流入兩輸入端的電流之差，即：IIO＝IB1－IB2，它是由于運放差分輸入級晶體管的β不等引起的。它的存在將使得在運放輸入端的電阻上及信號源的內阻上產生差模輸入電壓。
　 一般來說，運放的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IIO隨溫度的變化率稱為輸入失調電流溫漂αVIO，即：
　　?????????????????? αIIo＝ΔIIO／ΔT
?? 該值越小越好，通常的數量級為幾pA／℃。
?? 考慮了會引起輸入誤差信號的各種參數后，將得到如下的非理想運放模型：
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?? 在計算非理想情況下各參數對運放的影響時，最好是利用線性迭加原理，分別計算。一個非理想運放構成反相放大器如圖3，如果Rp＝R1//Rf，其輸入端可以等效為圖4形式。
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?? 如果要求對Vi的測量誤差為δ%，則運放的參數應滿足下式：
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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，而IIO及IIB的影響則與外部電路有關，RP越大，則其影響越大，而RP＝R1／／Rf，可見在放大倍數確定的情況下，電阻R1和RP不能選得太大，但也不能太小，因為R1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，KCMR越大，其影響越小。
?? 這里是假設運放輸入端電阻平衡，即RP＝R1／／Rf，但如果兩者不等，則將產生新的差模電壓：
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?? 以上介紹的所有參數將使輸出電壓產生偏移電壓，該電壓可以通過外部調零的方法加以抵消，但該電壓易受溫度變化產生漂移，而這種漂移電壓不能通過外部調零加以抵消。因此，要想使放大器的偏移電壓和漂移電壓小，就應當選用低失調低漂移的運算放大器。
4　結束語
　 實際的運放是非理想的，它的輸出電壓將受到輸入誤差信號的影響，針對產生零漂的各種參數，必須采取相應的措施，或選擇合適的運放以消除或減小其影響。