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來源：Digi-Key 作者：Kevin Chow 引言 運(yùn)算放大器（或簡(jiǎn)稱運(yùn)放）是許多電子設(shè)計(jì)的基本組成部分之一，其應(yīng)用范圍從簡(jiǎn)單的小信號(hào)放大到復(fù)雜的模擬信號(hào)處理，用途廣泛，幾乎可以應(yīng)用于大多數(shù)設(shè)計(jì)。雖然運(yùn)放原理很簡(jiǎn)單，但在應(yīng)用中需要考慮很多的參數(shù)。當(dāng)然，新手是無法掌握原理的，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程設(shè)計(jì)人員在選擇材料時(shí)也可能會(huì)忽略一些設(shè)計(jì)的參數(shù)，從而影響產(chǎn)品的工作。 下面就讓我們重溫一下有關(guān)運(yùn)放的基礎(chǔ)電子知識(shí)點(diǎn)。在看實(shí)際運(yùn)放的規(guī)格參數(shù)之前，我先介紹一下理想的運(yùn)放模型（這對(duì)以后的理解很重要）。當(dāng)然，理想的模型只是為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中涉及的數(shù)學(xué)運(yùn)算，但實(shí)際上并沒有那么簡(jiǎn)單。為了清楚起見，現(xiàn)在讓我們看看一些不同的重要參數(shù)。 反饋 每個(gè)運(yùn)放都可以進(jìn)行反饋，讓我們從下圖1的典型負(fù)反饋原理圖開始了解。 
圖1：典型反饋原理圖（圖片來源: ADI） 負(fù)反饋是將輸出信號(hào)的一部分“反饋”到輸入端的過程，但要使反饋為負(fù)，必須使用外部電路和附加器件將輸出反饋到運(yùn)放輸入的負(fù)端(或“反相輸入”端)，目的是使輸入端之間的差分輸入電壓接近于零， 以下面的公式（1）表示
開環(huán)增益（Open-Loop Gain） 開環(huán)增益（AVOL）是放大器在沒有閉合反饋環(huán)路情況下的增益，因此稱為“開環(huán)”。對(duì)于精密運(yùn)算放大器，該增益可能非常高，能達(dá)到大約為 160dB或以上。從直流到主導(dǎo)極點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率，該增益表現(xiàn)平坦。此后，增益以6dB/倍頻程（20 dB/10倍頻程）下降（注：8倍頻程指頻率增加一倍，10倍頻程指頻率增加十倍）。 如果運(yùn)算放大器只有一個(gè)單極點(diǎn)，則開環(huán)增益繼續(xù)以該速率下降，如圖2 （單極點(diǎn)響應(yīng)）所示。
圖2：開環(huán)增益（波特圖）- 單極點(diǎn)響應(yīng)（圖片來源: ADI） 實(shí)際上，一般運(yùn)算放大器有一個(gè)以上的極點(diǎn)，如下圖3所示。
圖3：開環(huán)增益（波特圖） - 雙極點(diǎn)響應(yīng)（圖片來源: ADI） 在圖3所示，第二個(gè)極點(diǎn)會(huì)使開環(huán)增益下降至12dB/倍頻程（40dB/10倍頻程）的速率增加一倍。如果開環(huán)增益在達(dá)到第二個(gè)極點(diǎn)的頻率之前降0dB以下，則運(yùn)算放大器在任何增益下均會(huì)無條件地保持穩(wěn)定。在規(guī)格書上，一般將這種情況稱為“單位增益穩(wěn)定（Unity Gain Stable）”。具體情況，可以參考ADI 公司 ADA4857 的規(guī)格書中，有關(guān)開環(huán)增益頻率響應(yīng)的圖表（圖4）。
圖4：ADA4857 開環(huán)增益頻率響應(yīng)（圖片來源: ADI） · 注意: 開環(huán)增益的不穩(wěn)定狀態(tài) 如果達(dá)到第二個(gè)極點(diǎn)的頻率且閉環(huán)增益大于 1（0db），則放大器可能不穩(wěn)定。有些運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)只是在較高閉環(huán)增益下才保持穩(wěn)定， 這就是所謂的非完全補(bǔ)償運(yùn)算放大器。然而，運(yùn)算放大器可能在較高頻率下?lián)碛懈囝~外的寄生極點(diǎn)，前兩個(gè)極點(diǎn)一般都是最重要的。 開環(huán)增益并不是一項(xiàng)精確控制的參數(shù)。其范圍相對(duì)較大，在規(guī)格參數(shù)中，多數(shù)情況下均表示為典型值而非最小/最大值。有些情況下，一般指高精度運(yùn)算放大器，該參數(shù)會(huì)有一個(gè)最小值。另外，開環(huán)增益可能因輸出電壓電平和負(fù)載而變化。這就是所謂的開環(huán)增益非線性度。該參數(shù)與溫度也有一定的相關(guān)性。一般來說，這些影響很小，多數(shù)情況下都可以忽略不計(jì)。事實(shí)上，一些運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中未必包含開環(huán)增益非線性度。 閉環(huán)增益（Close-Loop Gain） 閉環(huán)增益指放大器在反饋環(huán)路閉合時(shí)的增益。閉環(huán)增益有兩種形式：信號(hào)增益和噪聲增益。 · 信號(hào)增益和噪聲增益 閉環(huán)放大器增益的經(jīng)典表達(dá)方式涉及開環(huán)增益。設(shè)G為實(shí)際閉環(huán)增益， 為噪聲增益， 為放大器的開環(huán)增益，則：
這樣，一般情況下如果開環(huán)增益很高，則電路的閉環(huán)增益大多數(shù)是噪聲增益。
圖5：信號(hào)增益與噪聲增益（圖片來源：ADI） 請(qǐng)留意，用于確定運(yùn)算放大器穩(wěn)定性的是噪聲增益，而非信號(hào)增益。大多數(shù)現(xiàn)代運(yùn)算放大器都能在單位增益下穩(wěn)定，但某些特殊用途的放大器無法做到這一點(diǎn)。與標(biāo)準(zhǔn)單位增益穩(wěn)定型運(yùn)算放大器相比，非完全補(bǔ)償運(yùn)算放大器可提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如更低的噪聲電壓和更寬的帶寬。 增益帶寬積（Gain-Bandwidth Product） 對(duì)于單極點(diǎn)響應(yīng)，開環(huán)增益6dB/8倍頻程下降。這就是說，如果我們將頻率增加一倍，增益將下降到一半。相反，如果使頻率減半，則開環(huán)增益會(huì)增加一倍。如圖6所示，結(jié)果產(chǎn)生了所謂的增益帶寬積。如果用頻率乘以開環(huán)增益，其積始終為一個(gè)常數(shù)，但這積必須處于整條曲線中以6dB/8倍頻程下降的部分。這樣，我們就得到了一個(gè)品質(zhì)因素，可以據(jù)此決定某個(gè)運(yùn)算放大器是否適合特定的應(yīng)用。請(qǐng)注意，增益帶寬積僅對(duì)電壓反饋 (VFB)運(yùn)算放大器有意義。
圖6：信號(hào)增益與噪聲增益（圖片來源：ADI） 例如，如果我們有一個(gè)需要閉環(huán)增益為10和100kHz帶寬的應(yīng)用，那么我們是否需要一個(gè)至少1MHz增益帶寬積的運(yùn)算放大器? 這樣解釋有點(diǎn)過分簡(jiǎn)化。在現(xiàn)實(shí)中，由于增益帶寬積的可變性，以及在閉環(huán)增益與開環(huán)增益相交的位置，響應(yīng)實(shí)際上要下降3dB，而且最好應(yīng)留一點(diǎn)額外余量。在上述應(yīng)用中，增益帶寬積為1MHz的運(yùn)算放大器只是最少要求。 壓擺率 壓擺率（SR）是指放大器輸出因放大器輸入突然變化而發(fā)生變化的速率，其測(cè)量單位通常是V/μs。大信號(hào)最大工作頻率可以通過下式確定：
某些放大器具有非常大的壓擺率，試圖以漂亮的數(shù)字來獲得工程師的青睞，但有時(shí)未必真正用的上，因?yàn)樽畲蠊ぷ黝l率受到失真的限制。最簡(jiǎn)單的判斷方法是查看失真曲線，了解具體應(yīng)用在無法接受的失真時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率是多少。同樣，清楚知道系統(tǒng)要求，這點(diǎn)也是至關(guān)重要的。然后，將該頻率代入壓擺率計(jì)算公式，計(jì)算到底需要多大的壓擺率。
圖7：OP177最大輸出幅度與頻率（圖片來源：ADI） 帶寬 有些人認(rèn)為帶寬越高越好，但經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師知道，帶寬足夠適合應(yīng)用要比帶寬過高更好。評(píng)估任何參數(shù)的最佳方法是翻閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，查看特性曲線，只有這樣才能真正了解放大器的特性。帶寬曲線中是否有過高的峰化？有些制造商將這種現(xiàn)象說成是–3dB帶寬較大，但它也可能說明器件存在穩(wěn)定性問題。即使–3dB帶寬看起來較大，但放大器的增益平坦度可能會(huì)因?yàn)榉寤档汀Ｒ虼耍瑤捘軌驖M足您的需求即可，帶寬較寬的放大器需要更加注意穩(wěn)定性和PCB布局布線。 輸出類型 通常，運(yùn)算放大器的“輸出類型”是根據(jù)放大器的輸出結(jié)構(gòu)和應(yīng)用類別來分類的，在Digi-Key網(wǎng)站內(nèi)“線性器件 - 放大器 - 儀器、運(yùn)算放大器、緩沖放大器”產(chǎn)品類別中已經(jīng)列出不同輸出類型，方便大家挑選合適的運(yùn)算放大器。 “輸出類型”大致可分為: 差分: 這類運(yùn)算放大器具有正輸出和負(fù)輸出， 它將兩個(gè)輸入端電壓的差以一固定增益放大 軌對(duì)軌: 這類運(yùn)算放大器（或稱滿擺幅）的輸入和輸出電壓擺幅非常接近或幾乎等于電源電壓值（通常在毫伏范圍內(nèi)），這類型在運(yùn)算放大器中是最普遍。 漏極開路：這類運(yùn)算放大器的輸出連接到 IC 內(nèi)部晶體管的基極。 因此，運(yùn)放工作時(shí)，晶體管的漏極導(dǎo)通：只能吸收電流，如圖5所示。 這類運(yùn)放一般用于電流檢測(cè)，可應(yīng)用范圍不多，所以市場(chǎng)上的選擇較少。
圖8：漏極開路運(yùn)算放大器輸出電路圖 推挽式：推挽式放大器是指使用NPN晶體管和PNP晶體管的放大器。晶體管相互匹配，因此它們具有大致相同的增益、速度和電流規(guī)格。晶體管交替工作在信號(hào)的正、負(fù)兩個(gè)半周期成一推一挽形式的功率放大器。不過和漏極開路一樣，應(yīng)用范圍并不大，國外也沒有多少廠商會(huì)開發(fā)這種輸出級(jí)運(yùn)放，所以市場(chǎng)上的選擇比較少。
圖9：A類、B類、AB類輸出級(jí)推挽式放大器（圖片來源：ADI） 運(yùn)算放大器選料上的考慮 工程師選擇合適的運(yùn)算放大器了解轉(zhuǎn)換器的參數(shù)非常重要。例如上面提到的“增益帶寬積”、“輸出類型”等要求，甚至還要考慮封裝尺寸。如果可以有一個(gè)既簡(jiǎn)單又清晰的篩選列表，總結(jié)了大部分主要參數(shù) ，通過它可以靈活地選擇合適放大器的參數(shù)，這一定會(huì)提升工程師們選料的效率。 這樣的工具，Digi-Key已經(jīng)為大家提供了——現(xiàn)在，工程師只需在Digi-Key官網(wǎng)搜索引擎中輸入關(guān)鍵詞「opamp」或「運(yùn)算放大器」，進(jìn)入「線性器件 - 放大器 - 儀器、運(yùn)算放大器、緩沖放大器」后，各種運(yùn)放的詳細(xì)參數(shù)便可一目了然。
圖10：Digi-Key官網(wǎng)運(yùn)算放大器篩選選項(xiàng) 總結(jié) 通過本文，我們一起重溫了運(yùn)算放大器的各個(gè)基本參數(shù)和應(yīng)用原理。通過了解運(yùn)算放大器的增益、壓擺率、帶寬、輸出類型等主要參數(shù)，深入理解其工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域，并介紹了如何利用清晰易用的Digi-Key運(yùn)算放大器產(chǎn)品參數(shù)篩選列表，滿足工程師的設(shè)計(jì)所需。今后，我們將會(huì)深入討論運(yùn)算放大器 、比較器和儀表放大器的區(qū)別及應(yīng)用要求，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注后續(xù)的分享文章。 |
