信號(hào)鏈最基本的構(gòu)建塊：運(yùn)算放大器

　　該文章主要著眼于模擬信號(hào)鏈的基本構(gòu)建塊。第一部分主要探討運(yùn)算放大器。歡迎來(lái)到信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)系列，這些是描述模擬信號(hào)鏈如何運(yùn)行的文章。在本文中，我們所探討的話題包括模擬信號(hào)處理以及支持這些功能所必須的器件。歡迎多提保貴意見(jiàn)和建議，他們甚至有可能成為未來(lái)探討的話題。

　　基本的構(gòu)建塊--運(yùn)算放大器Block

　　信號(hào)鏈最基本的構(gòu)建塊是運(yùn)算放大器 （op amp）（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）。最簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器其實(shí)就是一個(gè)具有無(wú)限輸入阻抗差動(dòng)輸入的器件和一個(gè)具有趨向于無(wú)窮大增益的壓控電壓源。僅僅依靠這些特性的作用微乎其微，但是在使用了各種反饋技術(shù)以后，其就變成一款極為有用的器件了。

　　圖 1 理想的運(yùn)算放大器

　　從該電路中可以看到的理想的運(yùn)算放大器的傳輸函數(shù)為：

　　如果 Aol（開(kāi)環(huán)增益）的值非常大，那么該電路幾乎沒(méi)有什么價(jià)值可言。一項(xiàng)有關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)規(guī)范的調(diào)查研究表明，在生產(chǎn)過(guò)程中我們無(wú)法對(duì) Aol 的絕對(duì)值進(jìn)行嚴(yán)格控制。不過(guò)可以通過(guò)添加負(fù)反饋來(lái)解決該問(wèn)題，如圖 2 所示。

　　圖 2 具有反饋功能的理想的運(yùn)算放大器

　　由于在輸入引腳上可以沒(méi)有電流，因此流經(jīng) Ri 的電流必須要與流經(jīng) Rf 的電流相等。用方程式表示如下：

　　將兩項(xiàng)合并、設(shè)置 V2=0 并假設(shè)開(kāi)環(huán)增益非常大，從而得出標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)增益 （Acl） 方程式：

　　請(qǐng)注意，從第一個(gè)方程式可以看出運(yùn)算放大器對(duì)輸入電壓之間的差進(jìn)行了放大。只要運(yùn)算放大器在線性模式下運(yùn)行，則輸入引腳就會(huì)處于相同的電壓（請(qǐng)參見(jiàn)圖 3）。

　　圖 3 反相運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)電路圖

　　對(duì)于非反相結(jié)構(gòu)而言，該增益方程式的結(jié)果略有不同（請(qǐng)參見(jiàn)圖 4）。

　　圖 4 非反相運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)

　　如果 Aol 的值非常大，那么增益方程式則簡(jiǎn)化為：

　　傳輸函數(shù)的完整開(kāi)發(fā)可以在下方相關(guān)的工具選項(xiàng)中看到。該函數(shù)開(kāi)發(fā)還適用于 Aol 小于無(wú)窮大的情況。

　　首先了解這一基本構(gòu)建塊可以完成大量模擬計(jì)算電路的配置工作。在未來(lái)的文章中，將多次用到此處產(chǎn)生的這三個(gè)基本概念：即 Aol 值非常大時(shí)的增益方程式、限定 Aol 值時(shí)的增益方程式以及運(yùn)算放大器對(duì)輸出的驅(qū)動(dòng)，如將輸入引腳保持在相同的電壓上。

　　工具選項(xiàng)：閉環(huán)增益方程式的開(kāi)發(fā)

　　對(duì)于非反相結(jié)構(gòu)而言：

　　當(dāng) Aol 值非常大時(shí)，則該方程式則簡(jiǎn)化為：

　　這是理想條件下的閉環(huán)增益方程式，其中 Aol 值非常大。當(dāng)開(kāi)環(huán)增益小于理想條件時(shí)，實(shí)際的閉環(huán)增益方程式將變?yōu)椋?/p>

　　由于 Aol 值將總是小于無(wú)窮大，因此在增益方程式中總會(huì)存在一些誤差。通常， Aol 值可以足夠大，從而該誤差可以忽略不計(jì)。

　　反相條件下相似的函數(shù)開(kāi)發(fā)：

　　當(dāng) Aol 值非常大時(shí)，該方程則簡(jiǎn)化為：

　　這是理想條件下的閉環(huán)增益方程式，其中 Aol 值非常大。當(dāng)開(kāi)環(huán)增益小于理想條件時(shí)，實(shí)際的閉環(huán)增益方程式將變?yōu)椋?/p>

　　請(qǐng)注意，此處的 Acl 值為非反相 Acl 值。