运算放大器响应

本章总结

关键术语

带宽：上限频率和下限频率之W间的频率范围。

环路增益：运算放大器的开环电压增益乘以反馈网络的衰减。

相移：相对于参考角度的角度位移，随时间而变化。

相位裕量：一个放大器上的总相移和180°之间的差值。这个额外的相移只要在这个差值范围内就不会引起不稳定。

正反馈：将输出信号的一部分返回到输入信号，使得输出增强。输出信号与输入信号同相。

稳定性：放大器电路不会发生振荡的条件。

7.1 基本概念

7.1.1 开环增益

运算放大器的开环增益(A~ol~)，是器件内部的电压增益，等于输出电压和输入电压的比，如图7-1a所示。

注意，因为图7-1中没有外部元件，所以开环增益完全由内部设计决定。不同运算放大器的开环电压增益变化非常大。

数据手册中的开环增益通常是指大信号电压增益。

7.1.2 闭环增益

运算放大器的闭环增益(A~cl~)是运算放大器具有外部反馈时的电压增益。

放大器配置由运算放大器和外部负反馈网络组成，外部负反馈网络把输出端连接到反相输入端(一)。闭环增益由外部元件值决定，反相放大器的配置如图7-1b所示。

闭环增益可以由外部元件值精确控制。

可编程增益放大器( programmable gain amplifier，PGA)是一种可通过数字输人选择增益的运算放大器。

可编程增益放大器常用于数据采集系统，在数据采集系统中，有各种不同信号电平的输入。

7.1.3 增益的频率依赖性

运算放大器的中频开环增益可以从0频(dc，直流)延伸到截止频率，在截止频率处的增益比中频增益小3dB。

这里的区别是运算放大器是直流放大器(在电路各级之间没有耦合电容)，因此没有低频端的截止频率。

这就意味着中频增益向下延伸至0频(dc)，直流电压也可以与中频信号一样得以放大。

7.1.4 3dB开环带宽

交流放大器的带宽是指增益比中频增益小3dB时两点之间的频率范围。一般地，带宽BW等于上限频率减去下限频率。

因为运算放大器的下限频率0，所以带宽就简单地等于上限频率。

7.1.5 单位增益带宽

注意，在图7-2中增益稳步下降到等于1(0dB)的点。在单位增益处的频率值就是单位增益带宽。

7.1.6 增益-频率分析

一个运算放大器中的RC滞后(低通)网络负责使增益随频率的增加而下降。

7.1.7 相移

RC网络会引起输入端到输出端的传输延迟，因此输入信号和输出信号之间会产生相移。

本节问题

1．运算放大器的开环增益和闭环增益如何规定?

开环增益无反馈，并且闭环增益有负反馈。开环增益更大。

2．某运算放大器的上限频率为100Hz，这个运算放大器的开环3dB带宽是多少?

BW=100Hz

3. 当频率超过截止频率时，开环增益随着频率增大还是减小?

A~ol~减小。

4.PGA117中SPI总线的作用是什么?

SPI总线携带数字信息。对一个PGA，它可以通过计算机或控制器命令选择通道并设置增益。

7.2 运算放大器开环响应

本节学习开环频率响应和开环相位响应，开环响应的运算放大器没有外部反馈。

频率响应表明电压增益是如何随频率而变化的，相位响应表明输入信号和输出信号之间的相移是如何随频率而变化。

7.2.1 频率响应

在7.1节中，大于截止频率时，假设运算放大器的下降率是常量，即一20dB/十倍频程。

对大多数运算放大器来说，这是成立的。

从f~c~到单位增益，下降率为一20dB/十倍频程的运算放大器称为补偿运算放大器。

一个补偿运算放大器有一个RC网络，用来确定它的频率特性。因此，补偿运算放大器的下降率与基本RC网络相同。

对一些运算放大器电路，情况就更为复杂了。频率响应可能由内部许多级的电路决定，每级电路都具有自己的截止频率。

因此，总的响应受到多个级联电路影响，它是各个级联电路响应的合成。具有多个截止频率的运算放大器称为非补偿运算放大器。

7.2.2 相移响应

在多级放大电路中，每级电路对总的相移都会有贡献。正如你看到的一样，每个RC滞后网络产生的相移最高可达一90°。因为一个运算放大器的每级电路包含一个RC滞后网络，所以例如一个三级运算放大器的相移滞后最大可达一270°。

7.3 运算放大器闭环响应

为了能够精确地控制增益和带宽，运算放大器通常用于带有负反馈的闭环配置中。

7.3.1 负反馈对带宽的影响

7.3.2 增益-带宽积

由于增益和带宽的乘积是常量，闭环增益的增加会引起带宽的下降，反之亦然。只要下降率是固定的一20dB/十倍频程，这就成立。

本节问题

1．闭环增益是否始终小于开环增益?

是的

7.4 正反馈和稳定性

使用运算放大器时，稳定性是需要考虑的。稳定运行是指运算放大器在任何情况下都不会振荡。不稳定会产生振荡，当输入端没有信号时，由于输入端的噪声和瞬态电压，输出端会有不期望的电压波动。本节可以作为选读内容。

7.4.1 正反馈

为了理解稳定性，必须先检查不稳定性及其原因。大家知道，通过负反馈，反馈到放大器输入端的信号与输入信号相抵，因此减去反馈信号可以有效地减小电压增益。只要反馈是负的,放大器就是稳定的。

当从输出端反馈到输入端的信号的相位与输入信号的相位一致时，正反馈条件就成立了，放大器就会发生振荡。

也就是说，当通过运算放大器和反馈网络的总相移是360°(这也等价于无相移(0°))时，正反馈就会发生。

7.4.2 环路增益

要产生不稳定：(a)必须有正反馈，(b)闭环放大器的环路增益必须大于1。

闭环放大器的环路增益定义为运算放大器的开环增益乘以反馈网络的衰减因子。

本节问题

1．在什么反馈条件下放大器会发生振荡?

正反馈

2．放大器内部RC网络的相移为多少时产生不稳定性?什么样的相位裕量会开始产生不稳定?

180°，0°

3．运算放大器的开环增益最大下降率为多大，放大器仍是稳定的?

一20dB/十倍频程(一6dB/八倍频程)

7.5 运算放大器的补偿

上一节指出，当运算放大器响应的下降率超过—20dB/十倍频程，并且运算放大器运行在闭环配置中，增益曲线与开环响应相交于更高的下降率时，就会出现不稳定。正如上节讨论的情况中，闭环电压增益被限制在非常高的值。

在许多应用中，较低的闭环增益是很有必要或者非常希望的。为了让运算放大器能够运行在较低的闭环增益处，需要进行相位滞后补偿。本节可作为选学内容。

本节问题

1. 相位补偿的目的是什么?

对给定的频率,相位补偿增加了相位裕量。

2. 内部补偿和外部补偿的主要区别是什么?

内部补偿为完全补偿，外部补偿可以定制成获得最大带宽。

3. 当对一个放大器进行补偿时，带宽是增大还是减小?

带宽减小。