你必須了解的運算放大器基礎(chǔ)知識

引言

運算放大器（或簡稱運放）是許多電子設(shè)計的基本組成部分之一，其應(yīng)用范圍從簡單的小信號放大到復(fù)雜的模擬信號處理，用途廣泛，幾乎可以應(yīng)用于大多數(shù)設(shè)計。雖然運放原理很簡單，但在應(yīng)用中需要考慮很多的參數(shù)。當然，新手是無法掌握原理的，即使是經(jīng)驗豐富的工程設(shè)計人員在選擇材料時也可能會忽略一些設(shè)計的參數(shù)，從而影響產(chǎn)品的工作。

下面就讓我們重溫一下有關(guān)運放的基礎(chǔ)電子知識點。在看實際運放的規(guī)格參數(shù)之前，我先介紹一下理想的運放模型（這對以后的理解很重要）。當然，理想的模型只是為了簡化設(shè)計中涉及的數(shù)學(xué)運算，但實際上并沒有那么簡單。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

每個運放都可以進行反饋，讓我們從下圖1的典型負反饋原理圖開始了解。

圖1：典型反饋原理圖（圖片來源： ADI）

負反饋是將輸出信號的一部分“反饋”到輸入端的過程，但要使反饋為負，必須使用外部電路和附加器件將輸出反饋到運放輸入的負端（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

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)”。對于精密運算放大器，該增益可能非常高，能達到大約為160dB或以上。從直流到主導(dǎo)極點轉(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）。如果運算放大器只有一個單極點，則開環(huán)增益繼續(xù)以該速率下降，如圖2（單極點響應(yīng)）所示。

圖2：開環(huán)增益（波特圖）- 單極點響應(yīng)（圖片來源： ADI）

實際上，一般運算放大器有一個以上的極點，如下圖3所示。

圖3：開環(huán)增益（波特圖）- 雙極點響應(yīng)（圖片來源： ADI）

在圖3所示，第二個極點會使開環(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)增益在達到第二個極點的頻率之前降0dB以下，則運算放大器在任何增益下均會無條件地保持穩(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)

如果達到第二個極點的頻率且閉環(huán)增益大于 1（0db），則放大器可能不穩(wěn)定。有些運算放大器設(shè)計只是在較高閉環(huán)增益下才保持穩(wěn)定， 這就是所謂的非完全補償運算放大器。然而，運算放大器可能在較高頻率下?lián)碛懈囝~外的寄生極點，前兩個極點一般都是最重要的。 開環(huán)增益并不是一項精確控制的參數(shù)。其范圍相對較大，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，一般指高精度運算放大器，該參數(shù)會有一個最小值。另外，開環(huán)增益可能因輸出電壓電平和負載而變化。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。事實上，一些運算放大器的數(shù)據(jù)手冊中未必包含開環(huán)增益非線性度。

閉環(huán)增益

閉環(huán)增益指放大器在反饋環(huán)路閉合時的增益。閉環(huán)增益有兩種形式：信號增益和噪聲增益。

信號增益和噪聲增益

閉環(huán)放大器增益的經(jīng)典表達方式涉及開環(huán)增益。設(shè)G為實際閉環(huán)增益，NG為噪聲增益，AVOL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：信號增益與噪聲增益（圖片來源：ADI）

請留意，用于確定運算放大器穩(wěn)定性的是噪聲增益，而非信號增益。大多數(shù)現(xiàn)代運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。與標準單位增益穩(wěn)定型運算放大器相比，非完全補償運算放大器可提供獨特的優(yōu)勢，比如更低的噪聲電壓和更寬的帶寬。

增益帶寬積

對于單極點響應(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，我們就得到了一個品質(zhì)因素，可以據(jù)此決定某個運算放大器是否適合特定的應(yīng)用。請注意，增益帶寬積僅對電壓反饋 （VFB）運算放大器有意義。

圖6：信號增益與噪聲增益（圖片來源：ADI）

例如，如果我們有一個需要閉環(huán)增益為10和100kHz帶寬的應(yīng)用，那么我們是否需要一個至少1MHz增益帶寬積的運算放大器？ 這樣解釋有點過分簡化。在現(xiàn)實中，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)實際上要下降3dB，而且最好應(yīng)留一點額外余量。在上述應(yīng)用中，增益帶寬積為1MHz的運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，其測量單位通常是V/μs。大信號最大工作頻率可以通過下式確定：

f = SR/ 2πVp（其中Vp為峰值電壓）

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，但有時未必真正用的上，因為最大工作頻率受到失真的限制。最簡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對應(yīng)的頻率是多少。同樣，清楚知道系統(tǒng)要求，這點也是至關(guān)重要的。然后，將該頻率代入壓擺率計算公式，計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

有些人認為帶寬越高越好，但經(jīng)驗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。評估任何參數(shù)的最佳方法是翻閱數(shù)據(jù)手冊，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因為峰化而降低。因此，帶寬能夠滿足您的需求即可，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算放大器。

“輸出類型”大致可分為：

差分： 這類運算放大器具有正輸出和負輸出， 它將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大

軌對軌： 這類運算放大器（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)），這類型在運算放大器中是最普遍。

漏極開路：這類運算放大器的輸出連接到 IC 內(nèi)部晶體管的基極。因此，運放工作時，晶體管的漏極導(dǎo)通：只能吸收電流，如圖8所示。這類運放一般用于電流檢測，可應(yīng)用范圍不多，所以市場上的選擇較少。

圖8：漏極開路運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的正、負兩個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開發(fā)這種輸出級運放，所以市場上的選擇比較少。

圖9：A類、B類、AB類輸出級推挽式放大器（圖片來源：ADI）

更多關(guān)于運算放大器的參數(shù)信息，這里有一篇很好的帖子分享給大家。

運算放大器選料上的考慮

工程師選擇合適的運算放大器了解轉(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。如果可以有一個既簡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「運算放大器」，進入「線性器件 - 放大器 - 儀器、運算放大器、緩沖放大器」后，各種運放的詳細參數(shù)便可一目了然。

總結(jié)

通過本文，我們一起重溫了運算放大器的各個基本參數(shù)和應(yīng)用原理。通過了解運算放大器的增益、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運算放大器產(chǎn)品參數(shù)篩選列表，滿足工程師的設(shè)計所需。今后，我們將會深入討論運算放大器、比較器和儀表放大器的區(qū)別及應(yīng)用要求，請繼續(xù)關(guān)注后續(xù)的分享文章。 最后，如果你喜歡這篇文章嗎，快分享給更多的小伙伴吧！切記點個贊哦！

編輯：jq