你必须了解的运算放大器基础知识

你必须了解的运算放大器基础知识

引言

下面就让我们重温一下有关运放的基础电子知识点。在看实际运放的规格参数之前，我先介绍一下理想的运放模型（这对以后的理解很重要）。当然，理想的模型只是为了简化设计中涉及的数学运算，但实际上并没有那么简单。为了清楚起见，现在让我们看看一些不同的重要参数。

反馈

每个运放都可以进行反馈，让我们从下图1的典型负反馈原理图开始了解。

负反馈是将输出信号的一部分“反馈”到输入端的过程，但要使反馈为负，必须使用外部电路和附加器件将输出反馈到运放输入的负端（或“反相输入”端），目的是使输入端之间的差分输入电压接近于零， 以下面的公式（1）表示

开环增益

实际上，一般运算放大器有一个以上的极点，如下图3所示。

图3：开环增益（波特图）- 双极点响应（图片来源： ADI）

图4：ADA4857开环增益频率响应（图片来源： ADI）

注意： 开环增益的不稳定状态

如果达到第二个极点的频率且闭环增益大于 1（0db），则放大器可能不稳定。有些运算放大器设计只是在较高闭环增益下才保持稳定， 这就是所谓的非完全补偿运算放大器。然而，运算放大器可能在较高频率下拥有更多额外的寄生极点，前两个极点一般都是最重要的。 开环增益并不是一项精确控制的参数。其范围相对较大，在规格参数中，多数情况下均表示为典型值而非最小/最大值。有些情况下，一般指高精度运算放大器，该参数会有一个最小值。另外，开环增益可能因输出电压电平和负载而变化。这就是所谓的开环增益非线性度。该参数与温度也有一定的相关性。一般来说，这些影响很小，多数情况下都可以忽略不计。事实上，一些运算放大器的数据手册中未必包含开环增益非线性度。

闭环增益

闭环增益指放大器在反馈环路闭合时的增益。闭环增益有两种形式：信号增益和噪声增益。

信号增益和噪声增益

闭环放大器增益的经典表达方式涉及开环增益。设G为实际闭环增益，NG为噪声增益，AVOL为放大器的开环增益，则：

这样，一般情况下如果开环增益很高，则电路的闭环增益大多数是噪声增益。

图5：信号增益与噪声增益（图片来源：ADI）

请留意，用于确定运算放大器稳定性的是噪声增益，而非信号增益。大多数现代运算放大器都能在单位增益下稳定，但某些特殊用途的放大器无法做到这一点。与标准单位增益稳定型运算放大器相比，非完全补偿运算放大器可提供独特的优势，比如更低的噪声电压和更宽的带宽。

增益带宽积

对于单极点响应，开环增益6dB/8倍频程下降。这就是说，如果我们将频率增加一倍，增益將下降到一半。相反，如果使频率减半，则开环增益会增加一倍。如图6所示，结果产生了所谓的增益带宽积。如果用频率乘以开环增益，其积始终为一个常数，但这积必须处于整条曲线中以6dB/8倍频程下降的部分。这样，我们就得到了一个品质因素，可以据此决定某个运算放大器是否适合特定的应用。请注意，增益带宽积仅对电压反馈 （VFB）运算放大器有意义。

图6：信号增益与噪声增益（图片来源：ADI）

例如，如果我们有一个需要闭环增益为10和100kHz带宽的应用，那么我们是否需要一个至少1MHz增益带宽积的运算放大器？ 这样解释有点过分简化。在现实中，由于增益带宽积的可变性，以及在闭环增益与开环增益相交的位置，响应实际上要下降3dB，而且最好应留一点额外余量。在上述应用中，增益带宽积为1MHz的运算放大器只是最少要求。

压摆率

压摆率（SR）是指放大器输出因放大器输入突然变化而发生变化的速率，其测量单位通常是V/μs。大信号最大工作频率可以通过下式确定：

f = SR/ 2πVp（其中Vp为峰值电压）

图7：OP177最大输出幅度与频率（图片来源：ADI）

带宽

输出类型

“输出类型”大致可分为：

差分： 这类运算放大器具有正输出和负输出， 它将两个输入端电压的差以一固定增益放大

图8：漏极开路运算放大器输出电路图

图9：A类、B类、AB类输出级推挽式放大器（图片来源：ADI）

更多关于运算放大器的参数信息，这里有一篇很好的帖子分享给大家。

运算放大器选料上的考虑

工程师选择合适的运算放大器了解转换器的参数非常重要。例如上面提到的“增益带宽积”、“输出类型”等要求，甚至还要考虑封装尺寸。如果可以有一个既简单又清晰的筛选列表，总结了大部分主要参数 ，通过它可以灵活地选择合适放大器的参数，这一定会提升工程师们选料的效率。 这样的工具，Digi-Key已经为大家提供了——现在，工程师只需在Digi-Key官网搜索引擎中输入关键词「opamp」或「运算放大器」，进入「线性器件 - 放大器 - 仪器、运算放大器、缓冲放大器」后，各种运放的详细参数便可一目了然。

总结