关于运放设计的一些基本概念

一:什么是GBP

英文名称:gain-bandwidth product定义:有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积。

增益带宽积是评价放大器性能的一项指标。举例:一个放大器的GBP号称为1G。

如果它的增益为+2V/V。那么带宽=1G÷2=500M。

如果它的增益为+4V/V,那么带宽=1G÷4=250M。

以此类推。

总之,增益和带宽之间满足这个简单的乘积关系。 另外看到你在baidu知道上提的其他问题,解释下增益和带宽的含义。

增益:

表示放大器功率放大倍数,以输出功率同输入功率比值的常用对数表示,单位为分贝。

带宽:

是指在固定的的时间可传输的资料数量,亦即在传输管道中可以传递数据的能力。带宽越高,响应速度越快。

 

二:开环增益和闭环增益

如图2.1.1 

关于运放设计的一些基本概念

当输入信号电压Vp和Vn加到差分放大输入级的两输入端时,得该级的输出电压Vo1=Av1*(Vp-Vn),其中Av1是输入级的电压增益。Vo1传送到中间级进行电压放大,从而在该级的输出端产生Vo2=Av1*Av2*(Vp-Vn)。输出级无电压放大功能(Av3=1),但它能利用电压Vo2的控制作用,从而能对外接低阻值的负载供给一定的功率。运放的输出电压Vo=Avo*(Vp-Vn),其中Avo=Av1*Av2是运放的开环电压增益,即运放由输出端到输入端无外接反馈元件时的电压增益。

如图2.3.1所示,

关于运放设计的一些基本概念

根据虚短和虚断的概念有:Vp=Vn,ip=in=0,可得Vi=Vp=Vn=Vf=R1*Vo/(R1+R2),Av=Vo/Vi=(R1+R2)/R1=1+R2/R1,则其中Av为接入负反馈后的电压增益,称为闭环电压增益。

 

三:输入偏置电流

输入偏置电流:

        为了使运放输入级放大器工作在线性区, 所必须输入的一个直流电流, 在双极晶体管输入的运放, 偏置电流就是输入管的基极电流, 在 MOS 管输入的运放是指栅极漏电流. 


输入失调电流:

        与输入失调电压一样, 都是描述运放差分输入的对称性的. 理想的差分输入应该是完全对称的, 但由于设计和工艺过程的偏差, 正负两个输入端的特性不会完全相同. 这两个失调参数的定义是, 当输出为 0 时两个输入端的输入电压差 (失调电压) 和输入电流-即偏置电流的差 (失调电流), 显然在理想状态下它们都应该为 0.

输入失调电流= |IB1-IB2| 输入偏置电流=1/2(IB1+IB2) IB1、IB2为输入级差放管的输入偏置电流

具体介绍:

运放是集成在一个芯片上的晶体管放大器, 偏置电流 bias current 就是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流. 这个电流保证放大器工作在线性范围, 为放大器提供直流工作点. 因为运算放大器要求尽可能宽的共模输入电压范围, 而且都是直接耦合的, 不可能在芯片上集成提供偏置电流的电流源. 所以都设计成基极开路的, 由外电路提供电流. 因为第一级偏置电流的数值都很小, uA 到 nA 数量级, 所以一般运算电路的输入电阻和反馈电阻就可以提供这个电流了. 而运放的偏置电流值也限制了输入电阻和反馈电阻数值不可以过大, 使其在电阻上的压降与运算电压可比而影响了运算精度. 或者不能提供足够的偏置电流, 使放大器不能稳定的工作在线性范围. 如果设计要求一定要用大数值的反馈电阻和输入电阻, 可以考虑用 J-FET 输入的运放. 因为 J-FET 是电压控制器件, 其输入偏置电流参数是指输入 PN 结的反向漏电流, 数值应在 pA 数量级. 同样是电压控制的还有 MOSFET 器件, 可以提供更小的输入漏电流. 另外一个有关的运放参数是输入失调电流 offset current, 是指两个差分输入端偏置电流的误差, 在设计电路中也应考虑. 电路设计时应注意:运放的输入偏置电流是不可避免的,输入端必须有提供输入偏置电流的通路。在设计高精度直流放大放大器或选用具有较大输入偏置电流的运放时,必须使运放两端直流通道电阻相等,这样子才能平衡输入偏置电流。

输入失调电流(input offset current)和输出失调电压

        如果运放两个输入端上的电压均为0V,则输出端电压也应该等于0V。但事实上,输出端总有一些电压,该电压称为失调电压VOS。如果将输出端的失调电压除以电路的噪声增益,得到结果称为输入失调电压或输入参考失调电压。这个特性在数据表中通常以VOS给出。VOS被等效成一个与运放反相输入端串联的电压源。必须对放大器的两个输入端施加差分电压,以产生0V输出。

VOS随着温度的变化而改变,这种现象称为漂移,漂移的大小随时间而变化。漂移的温度系数TCVOS通常会在数据表中给出,但一些运放数据表仅提供可保证器件在工作温度范围内安全工作的第二大或者最大的VOS。这种规范的可信度稍差,因为TCVOS可能是不恒定的,或者是非单调变化的。

VOS漂移或者老化通常以mV/月或者mV/1,000小时来定义。但这个非线性函数与器件已使用时间的平方根成正比。例如,老化速度1mV/1,000小时可转化为大约3mV/年,而不是9mV/年。老化速度并不总是在数据表中给出,即便是高精度运放。

理想运放的输入阻抗无穷大,因此不会有电流流入输入端。但是,在输入级中使用双极结晶体管(BJT)的真实运放需要一些工作电流,该电流称为偏置电流(IB)。通常有两个偏置电流:IB+和IB-,它们分别流入两个输入端。IB值的范围很大,特殊类型运放的偏置电流低至60fA(大约每3µs通过一个电子),而一些高速运放的偏置电流可高达几十mA。

单片运放的制造工艺趋于使电压反馈运放的两个偏置电流相等,但不能保证两个偏置电流相等。在电流反馈运放中,输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的。这两个偏置电流之差为输入失调电流IOS,通常情况下IOS很小。