运算放大器得力助将：跨越失真电源的晶体管设计

在这篇文章中，小编将对运算放大器需具备的真正跨越失真电源的晶体管设计予以介绍，和小编一起来阅读以下内容吧。

一、运算放大器

运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

目前运算放大器主体部分已集成化, 故运算放大器也称为集成放大电路,采用半导体制造工艺将二极管,三级管,电阻等元件及它们之间的边线,集成在一块半导体基片上,构成一个具有特定功能的完整电路系统。

其实内部是一个高放大倍数的直接耦合放大电路,内部一般包括:输入级,中间级,输出级和偏置电路四部分.它们的关系可表示如下图:

二、应用单电源运算放大器—跨越失真电源的晶体管设计

电源电压值下降，而信号的质量和完整性不断提高。这种情况下，服务于一些应用（例如：高、DS或SAR转换器系统等）的基本模拟器件都能感觉到那些难以达到较高轨至轨输入性能的放大器不堪重负。简单的轨至轨运算放大器（op amp）必须具有一个真正跨越失真电源的晶体管设计。在许多应用电路中，这种要求都是没有商量余地的。

集成电路设计人员借助了其他器件的技术来解决这个问题。现在，再平常不过的充电泵用来将放大器的一个单差动输入级推至正电源以上（请参见图1）。放大器设计人员将开关机制频率置于放大器带宽之上，并让开关噪声维持在放大器理论噪声底限以下。

图 1 OPA635 和 OPA333 单电源放大器的输入拓扑

那么，带充电泵的单差动输入级给您带来了什么呢？您的放大器共模抑制比（CMRR）有望增加20dB到30dB。如果放大器是在某个缓冲结构中，则这种增加便具有积极的影响。您还可以将放大器总谐波失真度降低近10x。因此，如果您使用一个输入级中具有充电泵的放大器来驱动高SAR或DS转换器，您会发现您的系统性能提高了。

例如，由一个缓冲结构运算放大器驱动的ADC的总谐波失真，等于ADC和运算放大器失真贡献度的方和根。这种结构下，系统THD 为：

THD OPA-%为百分比单位运算放大器产品说明书的THD规范。

利用这些公式，如果带互补输入级的运算放大器具有0.004% （VIN=4 Vp–p）的THD规范，并且16位SAR ADC具有–99 dB的THD规范，则系统THD为–88dB。或者，如果运算放大器的输入级有一个0.0004%（VIN=4 Vp–p） THD规范的充电泵（请参见图 1），则系统THD变为–98 dB。

单电源放大器始终紧跟高转换器的发展。这是通过设计许多创新放大器电路拓扑（例如：带充电泵的输入级）来实现的。尽管充电泵是一种很好的权宜之计，但我们仍追求更低电压的系统电源，和更高的信号完整性。

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