同時滿足交流和直流性能的放大器特性分析

現代系統設計師正面對著許多設計挑戰，從實現數據轉換器的接口到維持其系統與模擬系統接口時的信號保真度等，他們很自然地轉向使用運算放大器來解決這些難題。因此，當今的放大器需要滿足高難度的技術規范組合。例如，機頂盒和DVD錄像機等消費電子視頻設備必須具備高帶寬，同時需要大輸出電流(用于驅動75Ω同軸電纜)、良好的增益精度、低電源電壓以及低電源電壓下良好的動態范圍。

雖然高帶寬放大器已經出現幾十年了，但是卻有著直流特性不良的“惡名”，并且通常工作于雙(±)電源軌。這些不良的直流特性限制了放大器所能達到的動態范圍。下面的公式為某個放大器的綜合動態范圍：

動態范圍=20Log10(VoutMax/VoutMin)

放大器的動態范圍受到電源電壓的限制，因其會對VoutMax造成直接影響。現代的“軌至軌”輸出放大器通過使VoutMax≈Vsupply-200mV(或者更小)來減小這種影響。另一方面，如果能使VoutMin等于零，動態范圍便可以是無限。但是實際情況卻不是這樣，因為有許多誤差項目與放大器相關聯，包括輸入失調電壓、輸入偏置電流、輸入失調電流、共模抑制比、電源抑制比、噪聲，以及與所有這些項目相關聯的溫度漂移。

圖1所示為某個放大器的誤差項目。其中的所有誤差項目都是以輸入為參考(RTI)繪制的，幾乎所有制造商的資料表都是如此處理。因此，所有的項目均乘以至放大器輸出的噪聲增益(或同相增益)。

噪聲增益=1+(反饋電阻/增益電阻)

讓我們仔細看一看每一個誤差項目。噪聲(放大器噪聲)具有三個基本成分：放大器的電壓噪聲、放大器的電流噪聲以及阻性反饋網絡的熱噪聲。對于電壓和電流噪聲，都有兩個部分：寬帶噪聲和低頻1/f噪聲。大多數制造商僅在寬帶噪聲占主導的頻率下規定噪聲，但是數據表還應該包括一個噪聲圖表。電流噪聲的等效電壓決定于電路，并通過將同相端的電流噪聲與源電阻相乘，反相端的電流噪聲與反饋網絡的等效電阻相乘能夠得到電流噪聲的等效電壓噪聲。

圖1：影響放大器性能的誤差項。

1. 輸入偏置電流和失調電流

多數高速放大器由于在其輸入級使用了雙極晶體管，加上晶體管的高內部偏置電壓點，因而具有很大的輸入偏置電流。通常，這些誤差項目的影響是通過其與反饋網絡和/或源電阻的交互作用而帶來額外的失調電壓。通過匹配同相和反相端的阻抗，能夠減小偏置電流的影響。

2. 失調電壓

失調電壓的定義是放大器輸入端之間所需的電壓以迫使輸出電壓置于零。實際上，在放大器的輸入端可以將它模擬成固定的電壓源，并且在大多數現代放大器中不能去除掉。一般認為失調電壓是放大器所有表現的參考點，并受到共模電壓(共模抑制比, CMRR)、電源電壓(電源抑制比, )、輸出電壓擺幅(開環增益, PSRR)、負載電流(間接開環增益, Aol)及溫度的影響。