本文闡述了直流偏置電源對敏感模擬應(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,。
在許多運(yùn)算放大器電路中,，直流偏置電源會影響運(yùn)算放大器的性能，特別是在與高位計數(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調(diào)節(jié)時,。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,。
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,。這樣會毀壞,、損壞或者阻止運(yùn)算放大器正常運(yùn)行。本文解釋了追蹤電源對運(yùn)算放大器的重要性,，并介紹了一種利用通常不具有追蹤能力的線性穩(wěn)壓器輕松實施一個追蹤分離電源的方法,。
給一個運(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單一正電源,，如圖 1 （a） 所示,。第二種方法是使用一個分離（雙）電源（如圖1 （b） 所示），其同時具有一個正電壓和一個負(fù)電壓,。這種分離電源在許多模擬電路中都非常有用,，因為它允許包括零電壓電位的輸入信號或者在正與負(fù)之間搖擺的輸入信號。
圖 1 運(yùn)算放大器供電選項
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電壓的算術(shù)平均數(shù),。方程式 1 可用于計算輸入共模電壓，其中 VP 為正電壓軌的值,，而 VN 為負(fù)電壓軌的值,。
就一個單電源系統(tǒng)而言，VN 始終為零,，因為運(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 7.5V 的輸入共模電壓,，而分離電源運(yùn)算放大器有一個 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稱分離電源（VP 大小與 VN 不等）一起工作,。所有情況下，設(shè)計人員都需要驗證運(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,，則可能會存在一些性能差異。
使用對稱分離電源時,，正負(fù)電壓必須互相追蹤,，特別是在電路初次上電時。追蹤電源是一種調(diào)節(jié)其輸出電壓至另一個電壓或信號的電源,。對于大多數(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。兩種方法都會產(chǎn)生相同的上電波形,。
如果兩個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 顯示了一個典型運(yùn)算放大器電源電路的示意圖。此處,，一個開關(guān)電源提供一個正 18V 和一個負(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 LDO 與另一個 LDO 大小相等而極性相反,。上電期間每個 LDO 的輸出電壓都由所有軟啟動電路,、限流、負(fù)載電容,、負(fù)載電流以及輸入電壓決定,。
因此，在啟動時兩個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?，因為每個 LDO 都具有其自己的輸出電壓精度,，而且反饋電阻會因其容差而稍微不同。
除上電期間的鎖閉問題以外,，如果每個電源的最終工作 DC 電壓隨時間而變化,，則電源會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。電源輸出會因線電壓,、負(fù)載電流變化和溫度變化而不同,。電源輸出會在其精度規(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,。因為運(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可用于計算電源變化引起的運(yùn)算放大器輸入的補(bǔ)償電壓,。
方程式 2 所示 PSRR 以分貝表示,，其可在大多數(shù)運(yùn)算放大器產(chǎn)品說明書中找到。方程式 2 給出了以運(yùn)算放大器輸入為參考的補(bǔ)償電壓,。用方程式 2 所得結(jié)果乘以運(yùn)算放大器增益,，運(yùn)算放大器輸出可參考補(bǔ)償電壓,。
由于運(yùn)算放大器的 PSRR 進(jìn)一步降低了電源的微小變化，因此您可能會錯誤地得出如下結(jié)論：電源電壓的微小變化在系統(tǒng)中影響極小或者沒有影響,。作為一個定量舉例,，我們可對一個全差動運(yùn)算放大器進(jìn)行分析，其將信號緩沖至一個 24位 ADC,。
圖 3 顯示的是一個使用全差動運(yùn)算放大器的簡化示意圖,，例如：OPA1632，其配置為一個為 24 位 ADC（例如： ADS1271）提供信號的單位增益緩沖器,。該電路是 ADC 評估電路板的簡化示意圖,。運(yùn)算放大器由 LDO 供電，其線壓,、負(fù)載和溫度精度為 3%,。LDO 的輸出電壓針對 ±15V 標(biāo)稱值進(jìn)行配置。
圖 3 計算補(bǔ)償誤差影響的示例電路
如果每個 LDO 的輸出電壓均恰好各是 +15V 和 –15V,，則共模輸入電壓剛好為 0V。就本例而言,，如果零伏在其輸入上,，則我們自 ADC 讀取零計數(shù)。那么,，電源大小相等而在運(yùn)算放大器輸入上沒有信號的情況下,，您會從 ADC 讀取零計數(shù)。
然而,，假設(shè)正電壓 LDO 輸出增加 3%,，仍然沒有超出 LDO 規(guī)范。使用 15V 輸出時,，這 3% 的變化等同于電源電壓從 450mV 上升到 15.45V,。根據(jù)數(shù)據(jù)表，運(yùn)算放大器的典型 PSRR 為 97dB,。
方程式 2 現(xiàn)在可用于計算運(yùn)算放大器輸入的失調(diào)電壓,。在運(yùn)算放大器輸入有一個額外的 3.178μV 失調(diào)電壓。由于運(yùn)算放大器被配置為一個單位增益緩沖器,，因此該 3.178μV 也存在于輸出,，并施加于ADC。ADC 的滿量程輸入范圍為 ±2.5V,，因此每個 ADC 位相當(dāng)于 298nV,。
使用電源產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓，ADC 現(xiàn)在讀取 11 個計數(shù),，而非零計數(shù),。電源在讀取 ADC 計數(shù)中引入了一個 DC 補(bǔ)償誤差,。該誤差會因 LDO 輸出電壓而不同，而 LDO 輸出電壓又隨時間,、溫度,、負(fù)載電流和輸入電壓而變化。這便使得這種誤差難以通過校準(zhǔn)去除掉,，也讓 ADC 的低四位變得不確定,。
提高 LDO 追蹤和精度（或者漂移）性能的一種簡單方法是將圖 2 所示電路修改為圖 4 所示電路。附加放大器 U1 和四個電阻需要針對 2 增益進(jìn)行配置,。額定值條件下,，R3 和 R4 之間的節(jié)點(diǎn)應(yīng)為零伏。因此,，R1 的值必須等于 R2,，而 R3 的值必須等于 R4。
圖 4 添加追蹤的電路,。
圖 2 中,，每個 LDO 的反饋網(wǎng)絡(luò)都連接至接地。圖 4 中,，反饋電阻連接至接地,，且由 U1 的輸出驅(qū)動。現(xiàn)在,，如果任何電源改變其輸出電壓,，則差異出現(xiàn)在 U1 的非反相輸入上，并被增益至原來的 2 倍,。由于 U1 的輸出同時驅(qū)動兩個 LDO 反饋網(wǎng)絡(luò),，因此同時對兩個 LDO 實施校正以強(qiáng)制其輸出大小相等。
必須注意圖 4 所示電路,。U1 的輸出可驅(qū)動至接近或者等于為 U1 供電電源軌的電壓,。如果使用輸入源的 ±18V 為 U1 供電，則輸出可驅(qū)動至高達(dá) 18V 的電壓,。該 18V 輸出應(yīng)用于 LDO 的反饋引腳,，其可能超出其絕對最大電壓額定值。我們可以添加鉗位二極管,，在 LDO 的高動態(tài)負(fù)載環(huán)境下,、短路條件下或者上電期間保護(hù) LDO 反饋引腳。
圖 5 顯示的是加裝追蹤電路和保護(hù)二極管的 LDO 示意圖,。為了讓示意圖更易于理解,，U3 的每個電源軌的 10 μF 旁路電容器都已脫去不用。
圖 5 帶電壓保護(hù)的 LDO 追蹤電路
圖 5 所示電路使用一個如 TPS7A3001 等可調(diào)節(jié)、負(fù)輸出電壓 LDO 線性穩(wěn)壓器,，以及如 TPS7A4901 等可調(diào)節(jié),、正輸出電壓 LDO。U3,、R7-R10 和 C3 均為增加的組件,，用于追蹤。R1,、R2,、D1-D5 均為增加組件，用于將反饋引腳的電壓控制在其各自產(chǎn)品說明書額定的絕對最大電壓范圍內(nèi),。
所有其他組件一般都是為了支持 LDO,，例如：輸入和輸出電容以及反饋電阻。所示 LDO 可支持 ±36V 范圍的輸入電壓,，但由于 TLE2141 運(yùn)算放大器的建議電壓極限,，該電路的輸入電壓降低至 ±22V?？梢赃x擇更高電壓的運(yùn)算放大器,，以覆蓋 LDO 完整的 ±36V 輸入范圍。
在兩種 LDO 反饋控制方案中,，追蹤電路都形成了一個附加電壓環(huán)路,。所增加的運(yùn)算放大器 U3 的帶寬需要由 C3 降低，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定性,。U3 帶寬需要至少為最低 LDO 電壓環(huán)路的 1/10。這就意味著 U3 一般只會有幾千赫茲的帶寬,。因此,，它將不會加到系統(tǒng)的高頻 PSRR。LDO 的 PSRR 主要決定系統(tǒng)的高頻 PSRR,。
總結(jié)
本文的討論明顯地說明了 DC 偏置電源如何影響運(yùn)算放大器的一些性能參數(shù),。使用本文提供的方程式，可實際測得和計算得到這些影響的大小,，以確定其在模擬系統(tǒng)中的影響,。此外您還可以了解到，添加一些附加組件來為運(yùn)算放大器構(gòu)建一個追蹤電源可以減少輸入補(bǔ)償電壓的多少,，可以建立正確序列來減少鎖閉問題的發(fā)生,，還可以提高用于運(yùn)算放大器 DC 偏置電源的線性穩(wěn)壓器的整體電壓精度。