開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖1-2。當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開(kāi)回路的方式工作時(shí),,其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下:
Vout = ( V+ -V-) * Aog
其中Aog代表運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路差動(dòng)增益(open-loop differential gai由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路增益非常高,,因此就算輸入端的差動(dòng)訊號(hào)很小,,仍然會(huì)讓輸出訊號(hào)「飽和」(saturation),導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn),。因此運(yùn)算放大器很少以開(kāi)環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中,,少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器(comparator),比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元的「0」與「1」,。
閉環(huán)負(fù)反饋
將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái),,放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況,此時(shí)通??梢詫㈦娐泛?jiǎn)單地稱為閉環(huán)放大器,。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn),又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種,。
反相閉環(huán)放大器如圖1-3,。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器,則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大,,所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地(virtual ground),,其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下:
Vout = -(Rf / Rin) * Vin
非反相閉環(huán)放大器如圖1-4。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器,,則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大,,所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零,,其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下:
Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin
閉環(huán)正回饋
將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來(lái),,放大器電路就處在正回饋的狀況,由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài),,多應(yīng)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的應(yīng)用中,。
理想運(yùn)放和理想運(yùn)放條件
在分析和綜合運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí),大多數(shù)情況下,,可以將集成運(yùn)放看成一個(gè)理想運(yùn)算放大器,。理想運(yùn)放顧名思義是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化。由于實(shí)際運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)比較接近理想運(yùn)放,,因此由理想化帶來(lái)的誤差非常小,,在一般的工程計(jì)算中可以忽略。
理想運(yùn)放各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)具體如下:
1.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod = ∞,;
2.輸入電阻Rid = ∞,;輸出電阻Rod =0
3.輸入偏置電流IB1=IB2=0 ;
4.失調(diào)電壓UIO ,、失調(diào)電流IIO ,、失調(diào)電壓溫漂、失調(diào)電流溫漂均為零,;
5.共模抑制比CMRR = ∞,;,;
6.-3dB帶寬fH = ∞ ;
7.無(wú)內(nèi)部干擾和噪聲,。
實(shí)際運(yùn)放的參數(shù)達(dá)到如下水平即可以按理想運(yùn)放對(duì)待:
電壓放大倍數(shù)達(dá)到104~105倍,;輸入電阻達(dá)到105Ω;輸出電阻小于幾百歐姆,; 外電路中的電流遠(yuǎn)大于偏置電流,;失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其溫漂很小,,造成電路的漂移在允許范圍之內(nèi),,電路的穩(wěn)定性符合要求即可;輸入最小信號(hào)時(shí),,有一定信噪比,,共模抑制比大于等于60dB;帶寬符合電路帶寬要求即可,。
運(yùn)算放大器中的虛短和虛斷含意
理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)可以得出二條重要的結(jié)論:
虛短
因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大,,而運(yùn)放工作在線性區(qū),是一個(gè)線性放大電路,,輸出電壓不超出線性范圍(即有限值),,所以,運(yùn)算放大器同相輸入端與反相輸入端的電位十分接近相等,。在運(yùn)放供電電壓為±15V時(shí),,輸出的最大值一般在10~13V。所以運(yùn)放兩輸入端的電壓差,,在1mV以下,,近似兩輸入端短路。這一特性稱為虛短,,顯然這不是真正的短路,,只是分析電路時(shí)在允許誤差范圍之內(nèi)的合理近似。
虛斷
由于運(yùn)放的輸入電阻一般都在幾百千歐以上,,流入運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端中的電流十分微小,,比外電路中的電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí),流入運(yùn)放的電流往往可以忽略,,這相當(dāng)運(yùn)放的輸入端開(kāi)路,,這一特性稱為虛斷。顯然,,運(yùn)放的輸入端不能真正開(kāi)路,。
運(yùn)用“虛短”、“虛斷”這兩個(gè)概念,,在分析運(yùn)放線性應(yīng)用電路時(shí),,可以簡(jiǎn)化應(yīng)用電路的分析過(guò)程,。運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路均要求輸入與輸出之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系,因此均可應(yīng)用這兩條結(jié)論,。如果運(yùn)放不在線性區(qū)工作,,也就沒(méi)有“虛短”、“虛斷”的特性,。如果測(cè)量運(yùn)放兩輸入端的電位,,達(dá)到幾毫伏以上,往往該運(yùn)放不在線性區(qū)工作,,或者已經(jīng)損壞,。
重要指標(biāo)
輸入失調(diào)電壓UIO
一個(gè)理想的集成運(yùn)放,當(dāng)輸入電壓為零時(shí),,輸出電壓也應(yīng)為零(不加調(diào)零裝置),。但實(shí)際上集成運(yùn)放的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱,通常在輸入電壓為零時(shí),,存在一定的輸出電壓,。輸入失調(diào)電壓是指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補(bǔ)償電壓。實(shí)際上是指輸入電壓為零時(shí),,將輸出電壓除以電壓放大倍數(shù),,折算到輸入端的數(shù)值稱為輸入失調(diào)電壓,即
UIO的大小反應(yīng)了運(yùn)放的對(duì)稱程度和電位配合情況。UIO越小越好,,其量級(jí)在2mV~20mV之間,,超低失調(diào)和低漂移運(yùn)放的UIO一般在1μV~20μV之間
輸入失調(diào)電流IIO
當(dāng)輸出電壓為零時(shí),差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極的靜態(tài)電流之差稱為輸入失調(diào)電流IIO ,,即
由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在,,IIO的變化會(huì)引起輸入電壓的變化,使運(yùn)放輸出電壓不為零,。IIO愈小,輸入級(jí)差分對(duì)管的對(duì)稱程度越好,,一般約為1nA~0.1µA,。
輸入偏置電流IIB
集成運(yùn)放輸出電壓為零時(shí),運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值定義為輸入偏置電流,,即
從使用角度來(lái)看,,偏置電流小好,由于信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小,,故輸入偏置電流是重要的技術(shù)指標(biāo),。一般IIB約為1nA~0.1µA。
輸入失調(diào)電壓溫漂△UIO/△T
輸入失調(diào)電壓溫漂是指在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi),,輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量的比值,。它是衡量電路溫漂的重要指標(biāo),,不能用外接調(diào)零裝置的辦法來(lái)補(bǔ)償。輸入失調(diào)電壓溫漂越小越好,。一般的運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±1mV/℃~±20mV/℃之間,。
輸入失調(diào)電流溫漂 △IIO/△T
在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi),輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值稱為輸入失調(diào)電流溫漂,。輸入失調(diào)電流溫漂是放大電路電流漂移的量度,,不能用外接調(diào)零裝置來(lái)補(bǔ)償。高質(zhì)量的運(yùn)放每度幾個(gè)pA,。
最大差模輸入電壓Uidmax
最大差模輸入電壓Uidmax是指運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓,。超過(guò)此電壓,運(yùn)放輸入級(jí)對(duì)管將進(jìn)入非線性區(qū),而使運(yùn)放的性能顯著惡化,,甚至造成損壞,。根據(jù)工藝不同,Uidmax約為±5V~±30V,。
最大共模輸入電壓Uicmax
最大共模輸入電壓Uicmax是指在保證運(yùn)放正常工作條件下,,運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。共模電壓超過(guò)此值時(shí),,輸入差分對(duì)管的工作點(diǎn)進(jìn)入非線性區(qū),,放大器失去共模抑制能力,共模抑制比顯著下降,。
最大共模輸入電壓Uicmax定義為,,標(biāo)稱電源電壓下將運(yùn)放接成電壓跟隨器時(shí),使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓值,;或定義為 下降6dB時(shí)所加的共模輸入電壓值,。
開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)、接入規(guī)定的負(fù)載,,輸出電壓的變化量與運(yùn)放輸入端口處的輸入電壓的變化量之比,。運(yùn)放的Aud在60~120dB之間。不同功能的運(yùn)放,,Aud相差懸殊,。
差模輸入電阻Rid是指輸入差模信號(hào)時(shí)運(yùn)放的輸入電阻。Rid越大,,對(duì)信號(hào)源的影響越小,,運(yùn)放的輸入電阻Rid一般都在幾百千歐以上。
運(yùn)放共模抑制比KCMR的定義與差分放大電路中的定義相同,,是差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比,,常用分貝數(shù)來(lái)表示。不同功能的運(yùn)放,,KCMR也不相同,,有的在60~70dB之間,,有的高達(dá)180dB。KCMR越大,,對(duì)共模干擾抑制能力越強(qiáng),。
開(kāi)環(huán)帶寬BW
開(kāi)環(huán)帶寬又稱-3dB帶寬,是指運(yùn)算放大器的差模電壓放大倍數(shù)Aud在高頻段下降3dB所對(duì)應(yīng)的頻率fH,。
單位增益帶寬BWG是指信號(hào)頻率增加,,使Aud下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率fT,即Aud為0dB時(shí)的信號(hào)頻率fT,。它是集成運(yùn)放的重要參數(shù),。741型運(yùn)放的 fT=7Hz,是比較低的,。
轉(zhuǎn)換速率SR (壓擺率)
轉(zhuǎn)換速率SR 是指放大電路在電壓放大倍數(shù)等于1的條件下,,輸入大信號(hào)(例如階躍信號(hào))時(shí),放大電路輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率,,見(jiàn)圖7-1-1,。它反映了運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為
轉(zhuǎn)換速率SR是在大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo),,目前一般通用型運(yùn)放壓擺率在1~10V/µs左右,。
單位增益帶寬BWG (fT)
共模抑制比KCMR
差模輸入電阻
開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud
運(yùn)放如上圖有兩個(gè)輸入端a,b和一個(gè)輸出端o.也稱為倒向輸入端(反相輸入端),非倒向輸入端(同相輸入端)和輸出端.當(dāng)電壓加U-加在a端和公共端(公共端是電壓的零位,它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn).)之間,且其實(shí)際方向從a 端指向公共端時(shí),輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端,即兩者的方向正好相反.當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間,U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同.為了區(qū)別起見(jiàn),a端和b 端分別用"-"和"+"號(hào)標(biāo)出,但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性.電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示.反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖:
一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為:具有一個(gè)信號(hào)輸出端口(Out)和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元,,因此可采用運(yùn)放制作同相,、反相及差分放大器。
運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種,。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放,,其輸出可在零電壓兩側(cè)變化,在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零,。采用單電源供電的運(yùn)放,,輸出在電源與地之間的某一范圍變化。
運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值,,而低于正電源某一數(shù)值,。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化,甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許,。這種運(yùn)放稱為軌到軌(rail-to-rail)輸入運(yùn)算放大器。
運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比,,在音頻段有:輸出電壓=A0(E1-E2),,其中,A0 是運(yùn)放的低頻開(kāi)環(huán)增益(如 100dB,,即 100000 倍),,E1 是同相端的輸入信號(hào)電壓,,E2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。
[編輯本段]類型
按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類,。
1.通用型運(yùn)算放大器
通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的,。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用,。例μA741(單運(yùn)放),、LM358(雙運(yùn)放)、LM324(四運(yùn)放)及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種,。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器,。
2.高阻型運(yùn)算放大器
這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí),。用FET作輸入級(jí),不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速,、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF355,、LF347(四運(yùn)放)及更高輸入阻抗的CA3130,、CA3140等。
3.低溫漂型運(yùn)算放大器
在精密儀器,、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化,。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度,、低溫漂運(yùn)算放大器有OP07,、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等,。
4.高速型運(yùn)算放大器
在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,、視頻放大器中,要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng),。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318,、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。
5.低功耗型運(yùn)算放大器
由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電,、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用,。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250μA,。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)μW級(jí),例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電,。
6.高壓大功率型運(yùn)算放大器
運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安,。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路,。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V,μA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。
7.可編程控制運(yùn)算放大器
在儀器儀表得使用過(guò)程中都會(huì)涉及到量程得問(wèn)題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù).例如:有一運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)為10倍,輸入信號(hào)為1mv時(shí),輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時(shí),輸出就只有1mv,為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100.程控運(yùn)放就是為了解決這一問(wèn)題而產(chǎn)生得.例如PGA103A,通過(guò)控制1,2腳的電平來(lái)改變放大的倍數(shù).
[編輯本段]主要參數(shù)
1.共模輸入電阻(RINCM)
該參數(shù)表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí),,輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比,。
2.直流共模抑制(CMRDC)
該參數(shù)用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同直流信號(hào)的抑制能力。
3.交流共模抑制(CMRAC)
CMRAC用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同交流信號(hào)的抑制能力,,是差模開(kāi)環(huán)增益除以共模開(kāi)環(huán)增益的函數(shù),。
4.增益帶寬積(GBW)
增益帶寬積AOL * ƒ是一個(gè)常量,定義在開(kāi)環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域,。
5.輸入偏置電流(IB)
該參數(shù)指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流,。
6.輸入偏置電流溫漂(TCIB)
該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示,。
7.輸入失調(diào)電流(IOS)
該參數(shù)是指流入兩個(gè)輸入端的電流之差,。
8.輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)
該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示,。
9.差模輸入電阻(RIN)
該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比,,電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。在一個(gè)輸入端測(cè)量時(shí),,另一輸入端接固定的共模電壓,。
10.輸出阻抗(ZO)
該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí),輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗,。
11.輸出電壓擺幅(VO)
該參數(shù)是指輸出信號(hào)不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值,,VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。
12.功耗(Pd)
表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率,,Pd通常定義在空載情況下,。
13.電源抑制比(PSRR)
該參數(shù)用來(lái)衡量在電源電壓變化時(shí)運(yùn)算放大器保持其輸出不變的能力,PSRR通常用電源電壓變化時(shí)所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示,。
14.轉(zhuǎn)換速率/壓擺率(SR)
該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大值,。SR通常以V/µs為單位表示,有時(shí)也分別表示成正向變化和負(fù)向變化,。
15.電源電流(ICC,、IDD)
該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流,這些參數(shù)通常定義在空載情況下,。
16.單位增益帶寬(BW)
該參數(shù)指開(kāi)環(huán)增益大于1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率,。
17.輸入失調(diào)電壓(VOS)
該參數(shù)表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。
18.輸入失調(diào)電壓溫漂(TCVOS)
該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化,,通常以µV/°C為單位表示,。
19.輸入電容(CIN)
CIN表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)任何一個(gè)輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。
20.輸入電壓范圍(VIN)
該參數(shù)指運(yùn)算放大器正常工作(可獲得預(yù)期結(jié)果)時(shí),,所允許的輸入電壓的范圍,,VIN通常定義在指定的電源電壓下,。
21.輸入電壓噪聲密度(eN)
對(duì)于運(yùn)算放大器,,輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個(gè)輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源,,eN通常以 nV / 根號(hào)Hz 為單位表示,定義在指定頻率,。
22.輸入電流噪聲密度(iN)
對(duì)于運(yùn)算放大器,,輸入電流噪聲可以看作是兩個(gè)噪聲電流源,連接到每個(gè)輸入端和公共端,,通常以 pA / 根號(hào)Hz 為單位表示,,定義在指定頻率。