運(yùn)放參數(shù)的詳細(xì)解釋 同相放大電路原理圖詳解

這是一份關(guān)于運(yùn)放的筆記，主要討論與頻率無關(guān)的特性，不涉及運(yùn)放的頻率響應(yīng)及環(huán)路穩(wěn)定性。具體一點說，主要是與輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、開環(huán)差模放大倍數(shù)和共模抑制比幾個參數(shù)相關(guān)的東西，討論因運(yùn)放的非理想特性而引入的計算誤差。國內(nèi)模電書與國外相關(guān)書籍（包括運(yùn)放數(shù)據(jù)手冊）在一些參數(shù)符號上的表示習(xí)慣不同，比如輸入失調(diào)電壓和共模抑制比，模電書里一般用Uio和Kcmr表示，而數(shù)據(jù)手冊則通常用Vos和CMRR表示，這里統(tǒng)一用模電書里的符號表示。下面是正文：

運(yùn)放本身是一個差分輸入的高增益多級放大電路。因為它具有極高的開環(huán)差模放大倍數(shù)（記為Aod，從幾萬倍到上千萬倍不等），所以當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時，只要它的反相輸入端和同相輸入端之間有一個微小的電壓就足以產(chǎn)生所需的輸出電壓（兩個輸入端之間的電壓稱為差模輸入電壓，記為Uid）。如果忽略這個電壓，就可以近似地認(rèn)為反相輸入端電壓與同相輸入端電壓相等，即Un=Up，好像它們之間短路一樣，稱為“虛短”。又因為運(yùn)放具有極低的輸入偏置電流（記為Iib，通常為pA至nA級別），所以在分析運(yùn)放構(gòu)成的放大電路時，往往可以忽略這個電流，認(rèn)為沒有電流流進(jìn)運(yùn)放，就好像輸入端斷開一樣，稱為“虛斷”。 “虛短”和“虛斷”是分析運(yùn)放電路的出發(fā)點。這里要注意：虛短是負(fù)反饋的結(jié)果而不是運(yùn)放本身的特性，只有運(yùn)放工作在線性區(qū)，兩個輸入端電壓才會相等，做為比較器使用的運(yùn)放，工作在開環(huán)狀態(tài)，兩個輸入端電壓則通常不相等。虛斷是運(yùn)放本身的特性，運(yùn)放本身的輸入偏置電流就已經(jīng)足夠小，在多數(shù)時候都可以忽略。

以下面的同相放大電路為例：

因為流進(jìn)運(yùn)放反相輸入端的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Rf和R1上的電流，如果忽略它（虛斷），那么反相輸入端的電壓就是由Rf和R1對輸出電壓分壓決定，即Un=R1/(R1+Rf)·Uo。同樣地，忽略同相輸入端的偏置電流，則R2電壓為0，Up=Ui。又因為“虛短”，即Un=Up，所以就可以得到輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系：Uo=(R1+Rf)/R1·Ui。這里可能會覺得有點本末倒置：明明是輸出電壓通過電阻Rf和R1分壓得到反相輸入端電壓Un，怎么就說輸出電壓Uo是輸入電壓Ui的(Rf+R1)/R1倍呢？或者說虛短是怎么來的，為什么輸出電壓通過Rf和R1加到反相輸入端的電壓會剛好等于同相輸入端電壓呢？想一下，先不考慮供電電壓等因素對運(yùn)放輸出電壓的限制，當(dāng)運(yùn)放通過電阻Rf、R1從輸出端引入負(fù)反饋后，如果兩個輸入端電壓還不相等，會怎么樣？在足夠大的開環(huán)差模放大倍數(shù)下，將會得到非常大的輸出電壓，這個電壓又會通過反饋電阻傳到反相輸入端，最終將迫使反相輸入端電壓往同相輸入端電壓的方向偏，直至相等。所以， 輸出電壓只能是那個通過反饋電路加載到反相輸入端的電壓等于同相輸入端電壓的值。以上可簡單總結(jié)為：由虛斷得到：Up=Ui、Un=R1/(R1+Rf)·Uo ①，由虛短得到：Un=Up②，因此有：Uo=(R1+Rf)/R1·Ui。

以上分析對運(yùn)放做了一些理想假設(shè)：認(rèn)為運(yùn)放不放大共模電壓只放大差模電壓；差模輸入電壓為零時輸出電壓也為零；差模放大倍數(shù)無窮大；流進(jìn)運(yùn)放輸入端的電流為零。實際的運(yùn)放做不到這么完美 ，上面①和②嚴(yán)格來說只是一種近似，因此將產(chǎn)生一些計算誤差 。這些非理想特性分別可以用共模抑制比（Kcmr）、輸入失調(diào)電壓（Uio）、開環(huán)差模放大倍數(shù)（Aod）和輸入偏置電流（Iib）來描述。

輸入失調(diào)電壓

實際運(yùn)放由于輸入差分對參數(shù)不完全一致，所以當(dāng)差模輸入電壓為零時（將兩個輸入端短接）輸出電壓并不為零，要使輸出電壓為零，需要在兩個輸入端之間加一個補(bǔ)償電壓，這個電壓稱為輸入失調(diào)電壓（Uio）。

上面說到負(fù)反饋最終會使得Un跟隨Up，考慮到輸入失調(diào)電壓，實際上這時候兩個輸入端之間總是存在一個微小的電壓，這個電壓就是輸入失調(diào)電壓。

輸入失調(diào)電壓相當(dāng)于加到輸入信號上的一個直流誤差信號，所以在放大微弱信號時，應(yīng)選擇低輸入失調(diào)電壓的運(yùn)放，也就是要使得Uio<

輸入偏置電流

當(dāng)輸入偏置電流不為0時，就不能認(rèn)為反相輸入端電壓是Rf和R1對輸出電壓分壓的結(jié)果。根據(jù)疊加定理，這時候反相輸入端電壓Un（也就是R1上的電壓）可以看成輸出電壓和輸入偏置電流兩個電源作用在電阻R1上產(chǎn)生的電壓的疊加。這里只看輸入偏置電流在R1上產(chǎn)生的電壓，這個電壓就是輸入偏置電流對反相輸入端電壓產(chǎn)生的額外影響。單獨(dú)考慮輸入偏置電流的效果時，可以先把輸出電壓置零，即輸出端接地，則R1和Rf是并聯(lián)關(guān)系，所以輸入偏置電流在R1上產(chǎn)生的電壓就是Iib·（R1//Rf）。不過，因為同相輸入端也有輸入偏置電流，如果兩邊的輸入偏置電流相等，當(dāng)R2取值為R1//Rf時，同相輸入端的輸入偏置電流在R2上產(chǎn)生的電壓就等于反相輸入端的輸入偏置電流在R1上產(chǎn)生的電壓，即兩邊的輸入偏置電流在兩個輸入端額外產(chǎn)生的電壓是一樣的（共模信號），互相抵消。這就是為什么R2叫做平衡電阻，并且要求取值為R1//Rf。當(dāng)然，如果兩邊的輸入偏置電流不相等，那它們在兩個輸入端額外產(chǎn)生的電壓就不能完全抵消掉，因此我們更關(guān)心的是兩邊的輸入偏置電流相差多少。兩邊的輸入偏置電流之差稱為輸入失調(diào)電流，記為Iio，它產(chǎn)生的誤差為Iio·（R1//Rf），選擇輸入偏置電流/輸入失調(diào)電流小的運(yùn)放或者選擇阻值小的電阻可以減小這個誤差。

開環(huán)差模放大倍數(shù)

運(yùn)放的開環(huán)差模放大倍數(shù)從幾萬倍到上千萬倍不等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際使用時所需的放大倍數(shù)，使用時再通過引入負(fù)反饋把放大電路的放大倍數(shù)衰減到我們所需的放大倍數(shù)。既然“夠用”，那我們?yōu)槭裁催€要關(guān)注它呢？因為虛短是來自開環(huán)差模放大倍數(shù)無窮大的假設(shè)，實際運(yùn)放的開環(huán)差模放大倍數(shù)不可能真的無窮大，所以為了得到輸出電壓，運(yùn)放的兩個輸入端之間還是需要一個微小的電壓，正是這個電壓被放大Aod倍得到輸出電壓。因此，運(yùn)放的開環(huán)差模放大倍數(shù)越大，運(yùn)放的兩個輸入端之間所需的電壓就越小，就越接近虛短的理想假設(shè)。

共模抑制比

兩個輸入端對地電壓極性相同、大小相等的部分稱為共模輸入電壓，記為Uic，Uic=(Up+Un)/2。 實際運(yùn)放對共模輸入電壓也有一定放大作用，數(shù)據(jù)手冊雖然沒有直接給出共模放大倍數(shù)，但有共模抑制比(kcmr)，因為共模抑制比就是差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)的比值，所以用差模放大倍數(shù)除以共模抑制比就得到共模放大倍數(shù)（用Aoc表示）。以常見的運(yùn)放LM358為例：Aod≈100dB(TYP)，Kcmr≈80dB(TYP)，所以共模放大倍數(shù)的大小就大致為：Aod/Kcmr=20dB,即10倍，看起來還不小。

這樣看來，由運(yùn)放構(gòu)成的放大電路是不是還會對共模輸入電壓有放大作用，甚至有時候會將共模輸入放大到很高的電壓，將有用信號淹沒？實際上不會。負(fù)反饋會產(chǎn)生一個額外的差模輸入電壓，重新調(diào)整輸入，去抵消共模輸入電壓產(chǎn)生的輸出：假設(shè)共模輸入電壓被放大Aoc倍得到一個額外的輸出電壓，這個電壓將通過反饋電路又加到反相輸入端，改變原本的差模輸入電壓，從而又改變輸出。因為是負(fù)反饋，所以這個改變是朝著抵消共模輸入所產(chǎn)生的輸出進(jìn)行的。同時因為運(yùn)放的差模放大倍數(shù)很大，比共模放大倍數(shù)要大得多，所以差模輸入只是改變了一點點，最終Un還是會近似等于Up，輸出電壓基本還是原來的值。也就是說，負(fù)反饋會在同相輸入端和反相輸入端之間產(chǎn)生一個額外的電壓，這個電壓被放大Aod倍后的電壓跟共模輸入電壓被放大Aoc倍后的電壓大小相等、方向相反，兩者互相抵消?，F(xiàn)在運(yùn)放的兩個輸入端之間多了一個電壓，這個電壓的大小為Uic/Kcmr，它產(chǎn)生的計算誤差和輸入失調(diào)電壓是一樣的，可以把它折算成輸入失調(diào)電壓。

不過，并不是說放大電路的輸出電壓總是不含共模輸入電壓的成分。比如下圖電路，也就是在同相放大電路的輸入端再加上共模電壓U2，這個電路的輸出就含有共模電壓U2，即Uo=(R1+Rf)/R1·U1+U2。在單電源供電的運(yùn)放電路中有時會在輸入端加直流偏置，就屬于這種情況。

但這不是因為運(yùn)放對共模輸入信號有放大作用，即使運(yùn)放的共模放大倍數(shù)真的為零，這個電路的輸出電壓依然含有U2。決定放大電路輸出電壓的是“虛短”、“虛斷”以及KCL、KVL對電路各電壓電流的約束關(guān)系，即輸出電壓只能是那個通過反饋電路加載到反相輸入端的電壓等于同相輸入端電壓的值。

最后總結(jié)一下：當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時，對電路的分析都是基于“虛短”和“虛斷”的理想假設(shè)，即：Up=Un、Ib=0,再根據(jù)KCL和KVL對電路中各電壓電流的的約束關(guān)系，得出輸出量與輸入量之間的關(guān)系，所以任何使得以上假設(shè)不成立的非理想特性都將引入計算誤差。不過，在多數(shù)情況下這些誤差都可以忽略，實際情況與基于理想假設(shè)的計算結(jié)果基本是一樣的，只在放大微弱信號或者高直流增益的時候才比較明顯。

近乎無窮大的開環(huán)放大倍數(shù)和負(fù)反饋的結(jié)合，使得運(yùn)放的閉環(huán)特性幾乎只取決于反饋電路，而跟運(yùn)放本身的特性無關(guān)。設(shè)計一個特定倍數(shù)的放大電路變得簡單很多，它的放大倍數(shù)僅由電阻的比值來決定。而且因為電阻的精度及溫漂通常比三極管和場效應(yīng)管好很多，所以與分立元件的放大電路相比，用運(yùn)放引入負(fù)反饋的方式設(shè)計的放大電路其性能指標(biāo)通常也更穩(wěn)定。