運(yùn)算放大器基礎(chǔ)
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理想的運(yùn)放
理想的運(yùn)放如圖1所示。通過電阻元件(或者更普遍地通過阻抗元件)施加的負(fù)反饋可以產(chǎn)生兩種經(jīng)典的閉環(huán)運(yùn)放配置中的任何一種：反相放大器(圖2)和非反相放大器(圖3)。這些配置中的閉環(huán)增益的經(jīng)典等式顯示，放大器的增益基本上只取決于反饋元件。另外，負(fù)反饋還可以提供穩(wěn)定、無失真的輸出電壓。
電壓反饋(VFB)運(yùn)放
電壓反饋運(yùn)放與前文介紹的理想運(yùn)放一樣，它們的輸出電壓是兩個(gè)輸入端之間電壓差的函數(shù)。為設(shè)計(jì)用途，電壓反饋運(yùn)放的數(shù)據(jù)表定義5種不同的增益：開環(huán)增益(AVOL)、閉環(huán)增益、信號增益、噪聲增益和環(huán)路增益。
負(fù)反饋可以改變AVOL的大小。對高精度放大器來說，無反饋運(yùn)放的AVOL值非常大，約為160dB或更高(電壓增益為10,000或更高)。
圖1：理想的運(yùn)放。
AVOL的范圍很大，在數(shù)據(jù)表中它通常以最小/最大值給出。AVOL還隨著電壓電平、負(fù)載和溫度的變化而變化，但這些影響都很小，通?？梢院雎圆挥?jì)。
當(dāng)運(yùn)放的反饋環(huán)路閉合時(shí)，它可以提供小于AVOL的閉環(huán)增益。閉環(huán)增益有信號增益和噪聲增益兩種形式。
信號增益(A)指輸入信號通過放大器產(chǎn)生的增益，它是電路設(shè)計(jì)中頭等重要的增益。下面給出了電壓反饋電路中信號增益的兩個(gè)最常見的表達(dá)式，它們被廣泛用在于反相和同相運(yùn)放配置中。
圖2：反相放大器(a)和非反相放大器(b)是兩種經(jīng)典的閉環(huán)運(yùn)放配置。
對于反相放大器，A = -Rfb/Rin
對于同相放大器，A = 1 + Rfb/Rin
其中，Rfb是反饋電阻，Rin是輸入電阻。
噪聲增益指運(yùn)放中的噪聲源增益，它反映了放大器的輸入失調(diào)電壓和電壓噪聲對輸出的影響。噪聲增益的等式與上述同相放大器的信號增益等式相同。噪聲增益非常重要，因?yàn)樗挥脕泶_定電路穩(wěn)定性。另外，噪聲增益還是在波特圖中使用的閉環(huán)增益，波特圖可以向電路設(shè)計(jì)工程師提供放大器的最大帶寬和穩(wěn)定性信息。環(huán)路增益等于開環(huán)增益與閉環(huán)增益之差，或者等于輸入信號通過放大器并由反饋網(wǎng)絡(luò)返回至輸入端的總增益。
圖3：(a)波特圖上的開環(huán)增益和噪聲增益曲線；(b)電流反饋運(yùn)放的頻率響應(yīng)。
電壓反饋運(yùn)放的增益帶寬積
理想運(yùn)放的增益和帶寬都是無限大的。最常見的真實(shí)運(yùn)放采用電壓反饋，這種運(yùn)放的增益和頻率在被稱為“增益帶寬積(GBW)”的特性中是有關(guān)系的。電壓反饋運(yùn)放中的這種關(guān)系允許電路設(shè)計(jì)工程師通過控制反饋電阻(或者阻抗)，在帶寬和增益之間進(jìn)行折衷。
對數(shù)響應(yīng)曲線(波特圖)給出 了電壓反饋運(yùn)放的增益隨頻率的變化關(guān)系，并有助于解釋GBW。從直流到由反饋環(huán)路的主極點(diǎn)決定的頻率之間，增益是恒定不變的。在該頻率之上，增益以6dB/8倍程或20dB/10倍程的速率衰減。這稱為單極或者一階響應(yīng)。6dB/8倍程的衰減速率意味著如果頻率升高一倍，增益就會減半。電壓反饋運(yùn)放的這種特性使電路設(shè)計(jì)工程師可在帶寬和增益之間進(jìn)行折衷。
在一個(gè)波特圖中畫出運(yùn)放的開環(huán)增益和噪聲增益曲線，兩者的交叉點(diǎn)決定了最大帶寬或放大器的閉環(huán)頻率(fCL)(圖4)。這兩條曲線的交叉點(diǎn)在波特圖增益軸(縱軸)上處于比最大增益小3dB的位置上。事實(shí)上，噪聲增益漸近地逼近開環(huán)增益。漸近響應(yīng)和真實(shí)響應(yīng)在fCL上下各一個(gè)倍程上之差將為1dB。
圖4：(a)運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓；(b)運(yùn)放的輸入偏置電流。
電流反饋(CFB)運(yùn)放
在電流反饋運(yùn)放中，開環(huán)響應(yīng)是輸出電壓對輸入電流的響應(yīng)。因此，與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)放輸入和輸出之間的關(guān)系不是用增益表示，而是跨阻來表示，單位為歐姆。但更常見的是采用跨阻表示，因此電流反饋運(yùn)放也被稱為跨阻放大器。電流反饋運(yùn)放的跨阻在500kΩ～1MΩ之間。
與電壓反饋運(yùn)放不同，電流反饋運(yùn)放沒有恒定的增益帶寬積。也就是說，當(dāng)增益隨著頻率增加而滾降時(shí)，滾降速度不等于6dB/8倍程。電流反饋運(yùn)放可以在較寬的增益范圍內(nèi)保持高帶寬，但這是以反饋?zhàn)杩沟倪x擇有限制為代價(jià)的。例如，其中一個(gè)限制就是電流反饋運(yùn)放的反饋環(huán)路中不允許有電容，因?yàn)殡娙輹垢哳l下的反饋?zhàn)杩菇档?，從而?dǎo)致振蕩。由于同樣原因，雜散電容也必須控制在運(yùn)放的反相輸入端周圍。另外，電流反饋運(yùn)放頻率響應(yīng)曲線的斜率特性要比電壓反饋運(yùn)放的好，雖然雜散電容會削弱電流反饋運(yùn)放的這個(gè)優(yōu)勢。
電流反饋運(yùn)放和電壓反饋運(yùn)放的不同特性還體現(xiàn)在其它方面。例如，電流反饋運(yùn)放具有獲得最大帶寬的最佳反饋電阻值。增大反饋電阻會導(dǎo)致帶寬降低，而降低電阻則將減小相位余量，并導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定。電流反饋運(yùn)放的數(shù)據(jù)表提供在一個(gè)增益范圍內(nèi)所對應(yīng)的最佳反饋電阻值，以及電源電壓值以便使放大器具有最大帶寬，這對設(shè)計(jì)過程很有幫助。最佳反饋電阻值對許多因素都比較敏感，甚至對運(yùn)放的封裝類型也敏感。數(shù)據(jù)表可能根據(jù)封裝是小外形IC (SOIC)封裝還是雙列封裝(DIP)，給出不同的電阻值。
運(yùn)放的重要特性
如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0V。但事實(shí)上，輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓VOS。如果將輸出端的失調(diào)電壓除以電路的噪聲增益，得到結(jié)果稱為輸入失調(diào)電壓或輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓。這個(gè)特性在數(shù)據(jù)表中通常以VOS給出。VOS被等效成一個(gè)與運(yùn)放反相輸入端串聯(lián)的電壓源。必須對放大器的兩個(gè)輸入端施加差分電壓，以產(chǎn)生0V輸出。
VOS隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象稱為漂移，漂移的大小隨時(shí)間而變化。漂移的溫度系數(shù)TCVOS通常會在數(shù)據(jù)表中給出，但一些運(yùn)放數(shù)據(jù)表僅提供可保證器件在工作溫度范圍內(nèi)安全工作的第二大或者最大的VOS。這種規(guī)范的可信度稍差，因?yàn)門CVOS可能是不恒定的，或者是非單調(diào)變化的。
VOS漂移或者老化通常以mV/月或者mV/1,000小時(shí)來定義。但這個(gè)非線性函數(shù)與器件已使用時(shí)間的平方根成正比。例如，老化速度1mV/1,000小時(shí)可轉(zhuǎn)化為大約3mV/年，而不是9mV/年。老化速度并不總是在數(shù)據(jù)表中給出，即便是高精度運(yùn)放。
理想運(yùn)放的輸入阻抗無窮大，因此不會有電流流入輸入端。但是，在輸入級中使用雙極結(jié)晶體管(BJT)的真實(shí)運(yùn)放需要一些工作電流，該電流稱為偏置電流(IB)。通常有兩個(gè)偏置電流：IB+和IB-，它們分別流入兩個(gè)輸入端。IB值的范圍很大，特殊類型運(yùn)放的偏置電流低至60fA(大約每3µs通過一個(gè)電子)，而一些高速運(yùn)放的偏置電流可高達(dá)幾十mA。
單片運(yùn)放的制造工藝趨于使電壓反饋運(yùn)放的兩個(gè)偏置電流相等，但不能保證兩個(gè)偏置電流相等。在電流反饋運(yùn)放中，輸入端的不對稱特性意味著兩個(gè)偏置電流幾乎總是不相等的。這兩個(gè)偏置電流之差為輸入失調(diào)電流IOS，通常情況下IOS很小。
總諧波失真(THD)是指由于放大器的非線性而產(chǎn)生的基頻的諧波分量。通常情況下只需要考慮二次和三次諧波，因?yàn)楦叽沃C波的振幅將大大縮小。
THD+N(THD+噪聲)是器件產(chǎn)生噪聲的原因，它是指不包括基頻在內(nèi)的總信號功率。大多數(shù)的數(shù)據(jù)表都給出THD+N的值，因?yàn)榇蠖鄶?shù)測量系統(tǒng)不區(qū)分與諧波相關(guān)的信號和噪聲。THD和THD + N都被用來度量單音調(diào)(single-tone)正弦波輸入信號產(chǎn)生的失真。
一個(gè)更有用且更嚴(yán)格的失真度衡量指標(biāo)是互調(diào)失真(IMD)，它可度量由雙音調(diào)(two-tone)交互干擾的結(jié)果而不僅僅是一個(gè)載波所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)不同應(yīng)用，一些二階IMD分量可能可以濾除，但三階分量的濾除則要更困難些。因此，數(shù)據(jù)表通常給出器件的三階截取點(diǎn)(IP3)，這是三階IMD效應(yīng)的一種最基本度量方式。因?yàn)槿A串?dāng)_產(chǎn)物引起的信號損壞在許多應(yīng)用中(特別是在無線電接收機(jī)中)都非常普遍，而且很嚴(yán)重，所以這個(gè)參數(shù)十分重要。
1dB壓縮點(diǎn)代表輸出信號與理想輸入/輸出傳輸函數(shù)相比增益下降1dB時(shí)的輸入信號電平。這是運(yùn)放動(dòng)態(tài)范圍的結(jié)束點(diǎn)。
信噪比(SNR)定義了從最大信號電平至背景噪聲的RMS電平的動(dòng)態(tài)范圍(以dB為單位)。
其它特性在射頻(RF)應(yīng)用中變得非常重要。例如，動(dòng)態(tài)范圍是器件能承受的最大輸入電平與器件能提供可接受的信號質(zhì)量的最小輸入電平之間的比，如果器件的輸入電平處于這兩點(diǎn)之間，則器件可提供相對線性的特性(在放大器的限制條件下)，若輸入電平不在這兩點(diǎn)之間，器件就會產(chǎn)生失真。
運(yùn)放的類型
運(yùn)放的供電
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