DC偏置電源對(duì)運(yùn)算放大器參數(shù)性能的影響

在許多運(yùn)算放大器電路中，直流偏置電源會(huì)影響運(yùn)算放大器的性能，特別是在與高位計(jì)數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 一起使用或者用于敏感傳感器電路的信號(hào)調(diào)節(jié)時(shí)。直流偏置電源電壓決定放大器的輸入共模電壓以及許多其他規(guī)范。

　　本文闡述了直流偏置電源對(duì)敏感模擬應(yīng)用中所使用運(yùn)算放大器 (op amp) 產(chǎn)生的影響，此外還涉及了電源排序及直流電源對(duì)輸入失調(diào)電壓的影響。另外，本文還介紹了一種通過線性穩(wěn)壓器(一般不具有追蹤能力)輕松實(shí)施追蹤分離電源的方法，以幫助最小化直流偏置電源帶來的一些不利影響。

　　在上電期間，必須協(xié)調(diào)直流偏置電源的順序來防止運(yùn)算放大器鎖閉。這樣會(huì)毀壞、損壞或者阻止運(yùn)算放大器正常運(yùn)行。給一個(gè)運(yùn)算放大器供電有兩種常見方法。第一種也是最簡單的一種方法是使用一個(gè)單一正電源，如圖 1 (a) 所示。第二種方法是使用一個(gè)分離(雙)電源(如圖1 (b) 所示)，其同時(shí)具有一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓。這種分離電源在許多模擬電路中都非常有用，因?yàn)樗试S包括零電壓電位的輸入信號(hào)或者在正與負(fù)之間搖擺的輸入信號(hào)。

　　圖 1 運(yùn)算放大器供電選項(xiàng)

　　不管使用哪一種方法，輸入共模電壓都由電源電壓決定。輸入共模電壓只是兩個(gè)電壓的算術(shù)平均數(shù)。方程式 1 可用于計(jì)算輸入共模電壓，其中 VP 為正電壓軌的值，而 VN 為負(fù)電壓軌的值。

　　就一個(gè)單電源系統(tǒng)而言，VN 始終為零，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的負(fù)電源軌連接到接地電位。

　　利用圖 1 所示數(shù)值，單電源運(yùn)算放大器具有一個(gè) 7.5V 的輸入共模電壓，而分離電源運(yùn)算放大器有一個(gè) 0V 的輸入共模電壓。

　　一些運(yùn)算放大器可以工作在單電源結(jié)構(gòu)也可以工作在分離電源結(jié)構(gòu)中。一些運(yùn)算放大器甚至可以同非對(duì)稱分離電源(VP 大小與 VN 不等)一起工作。所有情況下，設(shè)計(jì)人員都需要驗(yàn)證運(yùn)算放大器是否能夠支持期望的電源配置結(jié)構(gòu)。

　　另外，許多運(yùn)算放大器都具有使用分離電源的特點(diǎn)。因此，如果一個(gè)運(yùn)算放大器專為單電源結(jié)構(gòu)中分離電源運(yùn)行而設(shè)計(jì)，則可能會(huì)存在一些性能差異。

　　使用對(duì)稱分離電源時(shí)，正負(fù)電壓必須互相追蹤，特別是在電路初次上電時(shí)。追蹤電源是一種調(diào)節(jié)其輸出電壓至另一個(gè)電壓或信號(hào)的電源。對(duì)于大多數(shù)運(yùn)算放大器而言，正電源電壓與負(fù)電源電壓始終應(yīng)該大小相等而極性相反。

　　另外，您也可以對(duì)負(fù)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與正電源大小相等而極性相反。兩種方法都會(huì)產(chǎn)生相同的上電波形。

　　如果兩個(gè)電源并非大小相等而極性相反，則運(yùn)算放大器可在上電期間鎖閉。鎖閉可能會(huì)毀壞、損壞或者阻止運(yùn)算放大器正常運(yùn)行。

　　圖 2 顯示了一個(gè)典型運(yùn)算放大器電源電路的示意圖。此處，一個(gè)開關(guān)電源提供一個(gè)正 18V 和一個(gè)負(fù) 18V。兩低壓降 (LDO) 線性穩(wěn)壓器進(jìn)一步將 ±18V 調(diào)節(jié)至 ±15V。該 LDO 一般安裝在電源和運(yùn)算放大器之間，旨在降低開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲。LDO 具有較高的電源抑制(以比率表示，PSRR)，其減弱了寬帶頻率下 LDO 輸入的噪聲。

　　圖 2 運(yùn)算放大器的典型電源結(jié)構(gòu)

　　這樣可幫助向運(yùn)算放大器提供低噪聲電源。運(yùn)算放大器還具有自己的 PSRR，其一般在 80dB 以上。然而，運(yùn)算放大器僅在數(shù)千赫茲帶寬時(shí)具有高 PSRR，因此 LDO 用于提供高達(dá)數(shù)百千赫茲帶寬的高 PSRR。

　　圖 2 所示電路本身沒有追蹤能力。在上電期間，無法保證每個(gè) LDO 與另一個(gè) LDO 大小相等而極性相反。上電期間每個(gè) LDO 的輸出電壓都由所有軟啟動(dòng)電路、限流、負(fù)載電容、負(fù)載電流以及輸入電壓決定。

　　因此，在啟動(dòng)時(shí)兩個(gè)電壓大小不同而極性也不相反是有可能的。另外，LDO 上電并提供穩(wěn)態(tài)的 DC 輸出以后，它們?nèi)匀挥锌赡艽笮〔坏?，因?yàn)槊總€(gè) LDO 都具有其自己的輸出電壓精度，而且反饋電阻會(huì)因其容差而稍微不同。

　　除上電期間的鎖閉問題以外，如果每個(gè)電源的最終工作 DC 電壓隨時(shí)間而變化，則電源會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。電源輸出會(huì)因線電壓、負(fù)載電流變化和溫度變化而不同。電源輸出會(huì)在其精度規(guī)范內(nèi)有所不同，其一般為額定輸出電壓的 3% 到 5%。

　　盡管這些電源電壓的變化很小，但卻會(huì)改變運(yùn)算放大器的輸入共模電壓點(diǎn)，其通常被建模為運(yùn)算放大器輸入的額外補(bǔ)償電壓。因?yàn)檫\(yùn)算放大器有高 PSRR，因此建模補(bǔ)償電壓等于輸入共模電壓變化值除以運(yùn)算放大器的 PSRR。方程式 2可用于計(jì)算電源變化引起的運(yùn)算放大器輸入的補(bǔ)償電壓。