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第二节 集成运放的性能参数 ———及其对应用电路的影响
第二节 集成运放的性能参数 ———及其对应用电路的影响
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一、集成运放性能参数： 1、差模特性 差模特性：是指集成运放在差模输入信号作用下，所呈现的特性，相应的集成运放的电路模型如图所示。
根据电路模型可知 其值在80~140dB(104~107倍) 差模输入电阻Rid，指集成运放两输入端之间呈现的视在电阻，MΩ数量级。
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MOS集成运放Rid ，一般为106 MΩ 。 Rod 为输出电阻，一般在200Ω一下。 一般情况下，上述各参数均为频率的复函数，分别表示为：Avd(jω) 、Zid(jω) 、Zod(jω) 。 最大的差模输入电压范围 VIDM ：是指输入差分对管发射结不产生反向击穿所能承受的最大输入电压。 2、共模特性 共模特性：是指集成运放在共模输入信号作用下呈现的特性，属于这一类特性的参数主要为，共模抑制比 KCMR ，共模输入电阻 Ric 和最大的共模输入电压范围 VICM 。计入共模参数后的电路模型，如图所示：
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根据定义有： 所以
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可将上是折算到输入端，根据第183页（4-423式）已知：
作为输入误差电压，则电路模型可等效为：
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式中 可表示为： 其值为：80~120dB(104~107)之间 。 Ric 是集成运放输入端对共模输入信号的视在电阻，即每一个输入端对地呈现的电阻，其值大于100MΩ。 VICM 、KCMR 、Ric 均为频率的复函数。
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3、输入直流误差特性 输入直流误差特性：是指集成运放的输入失调特性，主要参数是输入失调电压VIO及其温漂αVIO ；输入失调电流IIO 及其温漂 αIIO ，计入这些参数后，电路模型则等效为： 为输入差放极两边输入偏置电流平均值。（10~100）μA 图中
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VIO 是输出失调电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压，其值一般为mV量级。
IIO 是输出失调电流为零时，两输入端之间所加的补偿电流，其值一般为量输入端的差值。即： 是指 IIO 随温度的变化率。 4、大信号动态特性 大信号动态特性：是指集成运放在大信号的作用下呈现的动态特性。其主要参数为转换速率 SR 及全功率带宽 Bωp等。
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五、电源特性 属于这类特性的参数主要有： 电源静态功率，定义为 电压允许的变化范围
电源电压抑制比(Power Supply Rejection Ratio)KSVR是指输入失调电压随电源电压的变化率，定义为 常用分贝数表示，即
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二、直流和低频参数对性能的影响 通常集成运放为非理想器件，因此，有在直流和低频工作时，不仅其增益和输入电阻不为无穷大，输出电阻也不为零，而且还存在着输入失调和有限共模抑制比等引入的输入误差。 因此，在分析各种应用电路时，得到的结果与理想化条件下得到的结果稍有不同。 1、Avd 、Rid 、Rod 为有限值得影响： 根据选取得电路可以不考虑 KCMR 、输入失调等参数的影响，例如、反向放大器，可仅考虑Avd 、Rid 、Rod 影响。
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vo Rf R1 vs RL 画电路模型
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根据电路模型列方程：
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求解方程组得： 式中 为非理想值 为理想值
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此式，表明当 Avd 、Rid 、和 Rod 为有限值时，反相放大器的增益 A'vf 与理想值 Avf =-Rf /R 1 之间的偏差与 Avd 的大小密切相关， Avd 越大， A'vf 就越趋近于理想值Avf 。 实际上，从反馈观点来看， Avd 越大，放大器就越接近深度负反馈， A‘vf 就越接近Avf ，同时，放大器的输入电阻Rif 和输出电阻Rod 也就越趋于零，在这种情况下，由信号源看进去的输入电阻即为外接电阻 R1 。 可见，对反相放大器性能影响最大的是Avd ，相比之下Rid 和 Rod 的影响是次要的。
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vo Rf R1 vs RL 2、KCMR 、Ric 为有限值的影响 选用同相放大器为例，考虑到 Rod 很小，因此可忽略。 画电路模型
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已知 对与电路来说 所以
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由于v+ 十分接近于v- 所以有： 根据电路模型可知：
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已知 为同相放大器的理想增益值。 则 经整理得：
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令 所以 由此可知，当 Avd 为有限值时，同相放大器增益与理想值之间的偏差取决于Avf 对 Avd 的比值， Avd越大，偏差就越小，显然这与深度负反馈条件一致。
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由此可知，由KCMR 产生的误差电压为： 因此有输出的相对误差 由此可见，由 KCMR 引起的相对偏差与KCMR 成反比， KCMR 越大，偏差就越小。
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在同相放大器中，当 Avd 足够大，并满足深度负反馈条件时，它的输出电阻Rod 趋于零，输入电阻趋于无穷大，因此，呈现在 vs 端的输入电阻为 Ric 。
三、IIB 、IIO 、VIO 为有限值的影响 为输入差放级两边输入偏置电流的平均值。 VIO 是输出失调电压为零时，两输入端之间所加的补偿电压，称为输入失调电压。 IIO 是输出失调电压为零时，两输入端所加的补偿电流，称为输入失调电流，其值为输入端输入电流的差值。即：
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vo Rf R1 vs RL vo Rf R1 vs RL 为了讨论方便起见，假设 KCMR 、Avd 、Rid 、Ric 、R od 均为理想值。 （1）、 IIB 、IIO 为有限值，令 VIO = 0 当集成运算放大器的其他参数均为理想值时，产生输出误差电压Δvo ，主要是输入直流偏置引起的，因此可以令输入电压 vs = 0，可的反相和同相放大器的电路模型。
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vo Rf R1 vs RL vo Rf R1 vs RL
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根据电路模型可知： 所以 可见产生的Δvo 主要是IIB 产生的。 由于
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为了克服IIB 的影响，一般在集成运放的同相输入端外接特定电阻R 2 。
电路模型如图所示
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根据电路可知
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若使 则 整理得
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由此可以看出为了消除IIB 的影响，则应该消除方程中的IIB 的项。
因此可以令 故
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为了消除IIB 的影响，应该满足电阻平衡条件。即从集成运放内部向外看，反相端对地的电阻，应该等于同相端对地的电阻。
当实现电阻平衡条件后，IIO 产生的Δvo 直接与Rf 成正比。 （2）、 IIB 、IIO 、VIO 为有限值 电路模型如图所示 根据电路模型有
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若使 即 则有 经整理得
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满足电阻平衡条件 所以 此式表明： （1）、若R2 为大值，即满足 VIO <<IIOR2 时，IIO 起主要作用，因此，为了减小Δvo ，应选用IIO 小的集成运放。 （2）、若R2 为小值，即满足 VIO >>IIOR2 时，VIO 起主要作用，因此，为了减小Δvo ，应选用VIO 小的集成运放。
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6.2.3 高频参数对性能的影响 一、小信号频率参数 如上一章所述，采用内补偿的集成运放可近似看成为一单极点系统，它的差模电压增益表示为
高频参数对性能的影响 一、小信号频率参数 如上一章所述，采用内补偿的集成运放可近似看成为一单极点系统，它的差模电压增益表示为 (6-2-9)
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图6-2-7示出了它的幅频特性渐近波特图。
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例如，F007集成运放，Avd≈108dB，fP ≈ Hz 。对于单极点系统， fP即为放大器的上限频率，又称为开环带宽(Open Loop Band width)。即
当 w >>wp时，上式近似为 (6-2-10) (6-2-11)
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将式(6-2-11)代入式(6-2-10)，Avd(jf)又可写成
(6-2-12) BW和BWG是集成运放的两个小信号频率参数。在闭环应用时，BWG就是反馈放大器的增益带宽积，可以直接显示闭环增益Avf与闭环带宽BWf之间的关系，即 (6-2-13)
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采用密勒电容补偿时，集成运放作为单极点系统，可以采用图6-2-8所示的简化模型表示。
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由图可见 集成运放的差模电压增益近似为 将上式与式(6-2-12)比较，单位增益频率可表示为 (6-2-14)
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二、大信号动态参数 1．转换速率 集成运放的转换速率SR(又称摆率)是指集成运放输出电压随时间的最大变化速率，即
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根据图6-2-8所示集成运放的简化模型，输出电压与输入差放级电流之间关系为
或者 因而 (6-2-15)
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为了具体说明转换速率对输出电压变化的影响，将集成运放接成同相跟随器，如图6—2—9(a)所示，
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并由输入阶跃电压激励，如图6—2—9(b)所示，
电压幅度Vs足够小，输入差放级线性工作时，作为单极点系统，它的输出电压
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例如，对于图6-2-8所示运放电路模型，其输入差放级的Ag近似等于差分对管的跨导，即
引用式(6-2-14)，SR又可表示为 (6-2-16) 例如，对于图6-2-8所示运放电路模型，其输入差放级的Ag近似等于差分对管的跨导，即 所以，受转换速率限制的输出电压
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2．全功率带宽(Full Power Band width)BWp
上面讨论了输入阶跃电压时SR对输出电压的影响，现在进一步讨论输入正弦信号电压作用下受SR限制时，造成输出电压波形失真的情况。 当集成运放输出电压为不失真的正弦电压，即 时， 随时间的最大变化率为
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若其值大于SR，则vo(t)受到SR限制，输出波形产生失真，如图6-2-10所示。
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可见，不受转换速率限制，输出不失真正弦电压的条件是
全功率带宽BWP就是指集成运放输出最大峰值电压Vommax时允许的最高频率，即 (6-2-17)
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