振华航空芯知识:当单电源遇上轨到轨——如何解决运算放大器失真问题
发布时间:2024/7/24
单电源和轨对轨输出都很优秀,采用单电源为轨到轨运算放大器供电似乎是个双赢的选择,但少数参数仍需要重新调整。
其中又有两种情况需要分开讨论:
单电源放大器(一类特殊的放大器)
利用单电源驱动传统运算放大器
什么是单电源放大器
根据定义,真正的“单电源”运算放大器采用一个电源供电,放大器的输入共模电压范围包括负电源轨,可简化电源设计。在芯片资料中,往往采用Single supply表示。值得注意的是,即使放大器的输入可以达到负轨或比负轨还低,但这并不表示放大器的输出也能够这样。
利用单电源驱动传统运算放大器
任何放大器都可以采用单电源供电,但要注意此时的输入信号范围和输出信号范围。运算放大器没有接地引脚,采用双极性电源供电与采用单电源供电是一样的。不过,在这种配置中运行放大器时需要额外的偏置电路。
单电源供电时,为了使电路能调理正负信号,放大器输入需要加入偏置电压。单电源供电,节省了负电源芯片的同时,也有诸多缺点:
为实现更大的动态范围,需要选择较贵的单电源运放或是轨到轨运放;
直流偏置电路中的电阻会带来额外的噪声;
偏置电流流过直流偏置电阻会引入额外的直流电压误差。当然可以在负输入端加电阻来做平衡使得偏置电流的影响抵消,但有的运放是无法抵消的,且增加的电阻会带来噪声;
为了滤除噪声加的大电容,使得直流偏置电路的时间常数很大。
轨对轨输出
“轨对轨输出”这个术语实际上不太准确。虽然放大器输出可以接近电源轨,但却决不会达到电源轨。在双极性放大器中,轨对轨输出级通常是共发射极;因此,输出与电源轨之间的最小差距是晶体管饱和压降Vcesat。Vcesat的值取决于放大器提供的负载电流。对低电流来说,输出与电源轨的差距可能为数十毫伏。对较高的电流来说,Vcesat可能接近0.5V或更高。目前,某些新型放大器能够利用片上电荷泵补偿Vcesat压降,使输出摆幅尽可能接近电源轨。
利用示波器进行测量时,接近电源轨的放大器输出摆幅可能显得没有问题,但网络分析仪能够揭示出不同的结果。随着输出摆幅更靠近电源轨,输出晶体管将不再工作在线性区,从而导致失真。失真可能发生在距离电源轨数百毫伏的地方。因此,如果可能,应当尽量为电源轨设计一些额外的裕量,这将有助于改善放大器的失真性能。@ADI