阿源的知识库运算放大器
本章总结
关键术语
闭环电压增益：带有负反馈的运放的净电压增益。
共模：运放两个输入端信号相同的情况。
共模抑制比(CMRR)：开环增益与共模增益之比；衡量运放对共模信号的抑制能力。
差分放大器(差放)：输出电压与两个输入电压差值成正比的放大器。
差分模式：两极性相反的信号加到运放两个输入端的情况。
反相放大器：一种闭环运放组态，其中输人信号加到反相输入端。
负反馈：将输出信号的一部分返回到放大器输入端的过程，此信号与输入信号反相。
同相放大器：一种闭环运放组态,其中输入信号加到同相输人端。
开环电压增益：没有外部反馈时运放的内部增益。
运算放大器(运放)：一种具有高电压增益、极高输入阻抗、极低输出阻抗且能有效抑制共模信号的放大器。
单端模式：运放一个输入端接地，信号电压只加到另一个输人端的情况。
转换速率：运放输出电压响应阶跃输入时的变化速率。
电压跟随器：一个闭环、同相、电压增益为1的运放。
重要公式
6.1 运算放大器介绍
目前为止，已经学习了很多重要的电子器件。这些器件(例如二极管和晶体管)都是各自独立封装的器件，在电路中与其他器件相互连接，以形成完整的功能单元。这样的器件为分立元器件。
早期的运算放大器(运放)主要用于完成数学运算，例如加法、减法、积分和差分，因此称为运算放大器。这些早期器件用真空管制造，工作在高电压下。现在的运放是线性集成电路，使用较低的电源电压,并且可靠、便宜。
6.1.1 符号及端子
标准运算放大器(运放)电路符号如图6-1a所示。它有两个输入端——反相(一)输入端和同相(＋)输入端，以及一个输出端。
6.1.2 理想运放
首先，理想运放具有无穷大的电压增益与无穷大的输入阻抗(开路)，因此不会对驱动源产生负载效应。
此外，运放具有零输出阻抗。这些特性如图6-2所示。两个输入端之间的电压Vin。为输入电压，输出电压为AVVin。，如内部电压源符号所示。
6.1.3 实际运放
实际运放的特性有高电压增益、高输入阻抗、低输出阻抗和宽带宽。
6.2 差分放大器
运放通常至少包含一个差分放大器级。因为差分放大器(差放)是运放的输入级。
基本差分放大器(差放)的电路及其符号如图6-4所示。运放中的差放级提供了高电压增益和共模抑制。
6.2.2 信号工作模式
单端输入：在单端模式下，一个输人端接地，信号电压只加在另一输入端，如图6-6所示。当信号电压加到输入端1时，如图6-6a所示，输出端1上会产生一个反相放大的信号电压。
此外，Q1发射极也会出现一个同相信号电压。因为Q1与Q2的发射极是公共端，所以发射极信号成为Q2的输入，而Q2为共基放大器。信号由Q2放大，并在输出端2上产生同相输出。
差分输入：在差分模式下，两个极性相反(反相)的信号加到两个输入端，如图6-7a所示。这种类型的工作模式也称作双端输入模式。如你所见，每个输入都会影响输出。
共模输入：差分放大器最重要的工作模式之一为共模输入模式，此时施加到两个输入端的信号电压的相位、频率和幅度均相同，如图6-8a所示。同样，通过考虑每个输入信号单独工作的情况，可以理解共模输入的基本工作原理。
这称为共模抑制。其重要性体现在不期望的信号同时出现在差分放大器的两个输人端的情况。共模抑制意味着不期望的信号不会出现在输出端，不会导致期望信号的失真。
6.2.3 共模抑制比
有用信号只出现在一个输入端，或者以相反极性出现在两个输入端上。这些有用信号被放大并出现在输出端，如前所述。
无用信号(噪声)以相同极性出现在两个输人入端上，因差分放大器的作用，这些无用信号基本被抵消，不会出现在输出端。评价放大器抑制共模信号能力的指标，是一个称为共模抑制比(CMRR)的参数。
理想情况下，差分放大器对期望信号(单端或差分)提供非常高的增益，对共模信号提供0增益。但是，实际差分放大器会有一个值很小的共模增益(通常远小于1)，而其差分电压增益却很高(通常为几千)。
差分增益与共模增益的比值越高，差分放大器在共模信号抑制方面表现越好。这意味着衡量差分放大器抑制无用共模信号能力的一个好的度量，是差分增益与共模增益的比值。
这一比值即为共模抑制比CMRR。
6.2.4 运放的内部框图
一个典型的运放由三类放大电路组成：差分放大器、电压放大器和推挽放大器
差分放大器是运放的输出级；它有两个输入端，并能放大两个输入端之间的差值电压。
电压放大器通常为A类放大器，提供额外的运放增益。有些运放可能有不止一级的电压放大器。输出级使用B类推挽放大器。
本节问题
1. 区分差分输入与单端输入
差分输入是两个输入端之间。单端输入是一个输入端与地之间(另一个输入端接地)。
2. 定义共模抑制比
共模抑制是指当两个输入端加上相同信号时，运放产生非常小的输出信号的能力。
3. 对于给定的差分增益，更高的CMRR导致共模增益更高还是更低?
CMRR更高导致共模增益更小。
6.3 运放数据手册中的参数
6.3.1 输入失调电压
理想运放具有零输入零输出的特性。但是，在实际运放中，当没有加上差分输入电压时，输出端也会产生一个小直流电压VOUT(err)。
其主要产生原因为运放差分输入级的基极-发射极电压存在轻微失配。
在运放数据手册中，输入失调电压(Vos)是两个输入端之间所需的差分直流电压，它使得差分输出为0V。
输入失调电压的典型值为2mV范围之内或更小。理想情况下为0V。
6.3.2 输入失调电压温漂
输入失调电压温漂是与Vos相关的参数，表示温度每变化一度，对应输入失调电压的变化值。
其典型值为5～50μV/℃。通常，运放的输入失调电压越高，温漂越大。
6.3.3 输入偏置电流
双极型差分放大器的输入端为晶体管的基极，因此输入电流为基极电流。
输入偏置电流为放大器能在第一级正常工作时，输人端所需的直流电流。
根据定义，输入偏置电流为两个输入电流的平均值。
6.3.4 输入阻抗
定义运放输入阻抗的两种基本方式为差分模式与共模模式。
差分输入阻抗为反相输入端和同相输入端之间的总电阻。在给定差分输入电压变化下，确定对应的偏置电流变化，可得到差分输人阻抗。
共模输入阻抗为每个输入端与地之间的阻抗。其可通过在给定共模输人电压变化下，确定对应的偏置电流变化来得到。
6.3.5 输入失调电流
理想情况下，两个输入偏置电流相等，差值为零。但是，在实际运放中，偏置电流不完全相等。
输入失调电流Ios是输入偏置电流的差，用绝对值表示。
6.3.7 共模输入电压范围
所有运放都有正常工作的电压范围的限制。
共模输入电压范围是在不会造成削波失真或其他输出失真的情况下，能够加入到两个输入端的输入电压范围。许多运放在直流电压为士15V的情况下，共模输入电压范围不超过士10V。
6.3.8 开环电压增益
运放的开环电压增益A指的是器件的内部电压增益，也就是当没有外部元件时，运放输出电压与输入电压的比值。开环电压增益完全由内部设计决定。
开环电压增益通常能超过200 000，但不是能严格控制的参数。数据手册中通常称开环电压增益为大信号电压增益。
6.3.9 运算的共模抑制比
运放CMRR的定义为开环电压增益(Ad)除以共模增益。
6.3.10 转换速率
响应阶跃输入电压时，输出电压的最大变化率称为运放的转换速率。转换速率取决于运放放大级的高频响应。 测量转换速率时的运放连接方式如图6-16a所示。这一连接方式为单位增益、同相组态，后面会讨论。
它给出了最坏情况(最慢)下的转换速率。已经知道阶跃电压的上升沿包含它的高频分量，放大器的上限截止频率影响其对阶跃输入的响应。上限截止频率越低，阶跃输入对应的输出信号斜坡越平缓。
6.3.11 频率响应
对于组成运放的内部放大器级，其电压增益受到结电容的限制。虽然运放中使用的差分放大器与我们讨论的基本放大器有所区别，但原理相同。
然而，运放没有内部耦合电容，因此低频响应可以到达直流(0Hz)。
6.3.13 其他特性
大多数运放有三个重要特性：短路保护，无门锁效应，输入失调调零。
短路保护使得输出短路时，电路不会损坏。无门锁特性使得运放在特定输入条件下，输出不会保持一个状态不变(高或低电平)。输入失调调零通过外部电位器，使得零输入条件下输出电压精确为零。
本节问题
1. 列举出十个甚至更多的运放参数。
输入偏置电流，输入失调电压，漂移，输入失调电流，输入阻抗，输出阻抗，共模输入电压范围，CMRR，开环电压增益，转移速率，频率响应
2. 除了频率响应之外，哪两个运放参数与频率有关?
转移速率与电压增益都与频率有关
6.4 负反馈
负反馈是电子学尤其是运放应用中最有用的概念之一。负反馈是将输出电压中的一部分以与输入信号反相(或者减去)的方式返回到输入端的过程。
负反馈如图6-18所示。反相(一)输入使得反馈信号与输入信号有180°的相位差。运放具有极高的增益，将加到同相与反相输入端的信号的差值放大。
所有运放只需要这两个信号之间有非常微小的区别，就能产生所需的输出。当使用负反馈时，同相输入与反相输入端几乎相同。这一概念可以帮助你理解运放电路中会产生什么样的信号。
6.4.1 为什么使用反馈
一个典型运放的内部开环增益非常高(通常大于100 000)。因此，两个输入电压之间的极小差别就能使运放进入饱和输出状态。实际上，甚至是输入失调电压也能使运放饱和。
假设输入位1mA，由于运放的输出不可能达到100V，因此其进入饱和状态，输出被限制在它的最大输出电平。
本节问题
1. 运放电路中使用负反馈的好处有哪些?
负反馈提供了稳定可控的电压增益，提供了对输人与输出阻抗的控制，并得到更宽的带宽。
2. 为什么需要将运放增益从它的开环增益值减小?
开环增益很高以至于输入端非常小的信号也会使得运放进入饱和。
3. 当调试带有负反馈的运放电路时，输入端应该观察到什么?
两个输入端相同。
6.5 负反馈运放组态
本节将讨论三种利用负反馈稳定增益并增强频率响应的运放连接方式。
如前所述，运放的极高开环增益会造成不稳定的情况，因为输入端的小噪声信号能被放大到使运放超出线性区工作。也可能发生不希望的振荡。
此外，不同运放器件的开环增益参数可能会相差很大。负反馈将输出的一部分以与输入信号反相的方式返回输入端，能有效减小增益。闭环增益通常远小于开环增益，并与它无关。
6.5.1 闭环电压增益
闭环电压增益是带有负反馈的运放的电压增益。放大器电路包括运放和一个外部反馈网络，它将输出与反相输入端相连。那么闭环电压增益由反馈网络的元器件值决定，并能由它们精确控制。
6.5.2 同相放大器
图6-20所示是运放的一种闭环连接，称为同相放大器。输入信号加到同相(＋)输入端。输出的一部分通过反馈网络加到反相(一)输入端。这构成了负反馈。
反馈系数B是返回反相输入端的输出电压的比例，它决定了放大器的增益，正如你将要看到的。反馈电压Vf，可以写为
6.5.3 反相放大器
图6-24所示为一个运放连接成的电压增益可控的反相放大器。输入信号通过串联输入电阻(Ri)加到反相输人端。同时，输出通过Rf反馈回到反相输人端。同相输入端接地。
无穷大输入阻抗说明反相输入端没有电流输出。如果没有电流流过输入阻抗，那么同相与反相输入端之间就没有压降。这意味着反相(一)输入端的电压为0，因为同相(+)输入端接地。
反相输入端的零电压称为虚地。
本节问题
1. 负反馈的主要作用是什么?
负反馈的主要目的是稳定增益。
6.6 运放阻抗和噪声
6.6.1 同相放大器的输入阻抗
已经知道：负反馈使得反馈电压Vf几乎等于输入电压Vin。输入电压与反馈电压的差值V接近于零，在理想情况下可假设它为零。此假设表明运放的输入信号电流也为零。因为输人阻抗为输入电压与输入电流的比值，所以同相放大器的输入阻抗为:
带有负反馈的这个运放电路的输入阻抗远大于运放自身的内部输入阻抗(无反馈)。
6.6.2 同相放大器的输出阻抗
除输入阻抗之外，负反馈也能改进运放的输出阻抗。无反馈放大器的输出阻抗非常小。加入反馈后，输出阻抗会变得更小。
这个带有负反馈的运放电路的输出阻抗远小于运放自身内部输出阻抗(无反馈）
6.6.3 电压跟随器阻抗
本节问题
1. 同相放大器的输入阻抗与运放自身的输入阻抗相比如何?
同相组态比运放本身具有更高的Zin
2. 将运放连接成电压跟随器时,输入阻抗增大还是减小?
电压跟随器中Zin增大。