運(yùn)算放大器及其最重要的參數(shù)

運(yùn)算放大器(op-amp)一直是最成功的集成電路之一。一種具有高增益的差分放大器，差分輸入和單輸出使這種小型、廉價(jià)的 IC 能夠在各種應(yīng)用中使用負(fù)反饋，其中其增益(比兩個(gè)輸入之間的差值高數(shù)十萬倍) )、帶寬以及輸入和輸出阻抗由外部電路設(shè)置。

頂部，該運(yùn)算放大器是開環(huán)的，因?yàn)樗鼪]有反饋電路。底部，該運(yùn)算放大器具有負(fù)反饋。由于輸出反饋至負(fù)輸入，因此該器件是非反相的。

由于增益巨大，輸入之間的微小差異會(huì)導(dǎo)致放大器輸出非常接近電源電壓。在很少使用的開環(huán)配置中，當(dāng)該差異大于電源電壓時(shí)，該器件被稱為飽和。

在開環(huán)配置(無負(fù)反饋)中，運(yùn)算放大器是一個(gè)比較器?？梢詫?shí)施正反饋以進(jìn)行再生。在閉環(huán)配置中，電路性能變得穩(wěn)定并且變得更加可預(yù)測(cè)。通過將輸出的一部分應(yīng)用到反相輸入，增益被降低到合理的水平。增益和響應(yīng)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)而不是運(yùn)算放大器的質(zhì)量決定。

需要注意的一點(diǎn)是，存在特殊類型的運(yùn)算放大器，包括高頻(10 到 100 MHz)單元、電流差運(yùn)算放大器或跨導(dǎo)運(yùn)算放大器。

另請(qǐng)注意，運(yùn)算放大器上沒有接地引腳，并且運(yùn)算放大器可以采用單電源供電。但某些運(yùn)算放大器被指定需要正電源和負(fù)電源。這是因?yàn)檩斎氡患俣榻拥兀涣鬏斎胄盘?hào)在接地之上和之下存在偏差。

還值得注意的是，運(yùn)算放大器的輸入必須保持在電源范圍內(nèi)(稱為單電源類型的運(yùn)算放大器允許輸入向下偏離負(fù)軌，通常是接地)。因此，此單電源規(guī)格的輸入端不允許有負(fù)電壓。

有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)可幫助確定給定運(yùn)算放大器對(duì)當(dāng)前任務(wù)的適用性。測(cè)試可以確定這些參數(shù)，其中最重要的參數(shù)可以在運(yùn)算放大器規(guī)格表中找到。電源抑制比 (PSRR) 確定運(yùn)算放大器對(duì)電源變化的敏感度。該規(guī)格以分貝 (dB) 為單位列出，其中每增加 20 dB，比率就會(huì)增加十倍。因此，60dB 值意味著電源 1V 的變化將導(dǎo)致輸出 0.001V 的變化。 PSRR 取決于實(shí)際電源電壓以及噪聲頻率。較高的工作電壓和較低的噪聲頻率通常會(huì)帶來更好的 PSRR 值。

與數(shù)字邏輯接口(有時(shí)會(huì)導(dǎo)致顯著的電源噪聲)的運(yùn)算放大器通常應(yīng)具有良好的 PSRR 額定值。對(duì)于使用安靜電源工作的模擬設(shè)計(jì)中的運(yùn)算放大器來說，該參數(shù)可能并不那么重要。

為運(yùn)算放大器供電所需的電流是電源電流 I s，也稱為靜態(tài)電流。它不包括通過外部組件的電流或任何輸出電流。

輸入電阻 R in 表示運(yùn)算放大器對(duì)輸入源施加的負(fù)載量。它通常保持盡可能高的值，典型值為數(shù)百兆歐。一些較新的運(yùn)算放大器的輸入電阻大于 10 太歐姆(1 太歐姆 = 1,000,000 MΩ)。運(yùn)算放大器的輸入電容通常沒有指定，但約為皮法，并且主要由引線決定。

較舊的運(yùn)算放大器規(guī)格表可能僅提供輸入偏置電流 I b，而不是實(shí)際的輸入電阻。 I b是驅(qū)動(dòng)輸入所需的電流，可以通過歐姆定律和電源電壓產(chǎn)生輸入電阻。

輸入失調(diào)電壓 V os和輸入失調(diào)電流 I os是運(yùn)算放大器精度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)接近于零。如果運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入均為零，則輸出也應(yīng)為零。但運(yùn)算放大器并不完美，因此輸出端會(huì)有一些殘余電壓。需要注意的一點(diǎn)是，整個(gè)電路的增益會(huì)影響運(yùn)放的輸出。因此，增益為 100 的電路將使誤差增加 100 倍，這解釋了為什么失調(diào)電壓和電流是指輸入而不是輸出。具體來說，偏移誤差的定義是施加到輸入以迫使輸出精確為零的電壓(或電流)。

對(duì)于交流電路來說，偏移誤差通常不成問題，因?yàn)槠溆绊懕憩F(xiàn)為固定的直流誤差。由于交流電路通常是電容耦合的，因此直流會(huì)消失。但大增益 (≥1,000) 可能會(huì)將 5mV V os轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龆说?5V 直流誤差，可能導(dǎo)致運(yùn)算放大器輸出電壓超過電源電壓并導(dǎo)致削波。另一方面，失調(diào)誤差是直流應(yīng)用中的一個(gè)問題，因?yàn)椴豢赡軓闹绷髡`差中分離出真實(shí)的直流信號(hào)。

共模電壓范圍 (CMVR) 規(guī)定了可應(yīng)用于運(yùn)算放大器的輸入電壓的限制。大多數(shù)新型運(yùn)算放大器都具有“軌到軌”輸入，允許使用高達(dá)(包括)V+ 和 V- 軌的任何輸入電壓。較舊的運(yùn)算放大器往往會(huì)將輸入電壓限制為低于電源軌。

CMVR 小于電源軌的運(yùn)算放大器可能會(huì)出現(xiàn)微妙的情況。使用單電源的運(yùn)算放大器可能僅限于使用永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到接地電位的輸入，并且以這種方式協(xié)調(diào)輸入可能很困難。另請(qǐng)注意，如果信號(hào)比負(fù) CMVR 更負(fù)，一些較舊的運(yùn)算放大器會(huì)反轉(zhuǎn)信號(hào)。

另一個(gè)稱為共模抑制比 (CMRR) 的規(guī)格是指輸入平衡中的誤差。理論上，無論施加到輸入的電壓如何，將運(yùn)算放大器的反相和非反相輸入連接在一起都應(yīng)該導(dǎo)致零輸出。但這只是理論上的。

CMRR 以 dB 為單位，通常為 60 至 80 dB 或更高。 60 dB 的 CMRR 意味著輸入之間的平衡可能存在 0.1% 的輸入誤差。施加到兩個(gè)輸入的 10V 信號(hào)或 V cm(CMRR 為 60 dB)似乎是施加到一個(gè)輸入的 10V 信號(hào)和施加到另一個(gè)輸入的 5.010V 信號(hào)。實(shí)際的輸出誤差取決于電路的增益。

當(dāng)測(cè)量大信號(hào)中嵌入的小信號(hào)時(shí)，CMRR 誤差尤其重要。例如，電流測(cè)量通常涉及測(cè)量電流路徑中小值電阻器上的電壓降。該任務(wù)可能需要在 10 伏或更高電壓的情況下測(cè)量毫伏的分?jǐn)?shù)。

運(yùn)算放大器大信號(hào)電壓增益(A v或 A vo)表示在沒有任何反饋的情況下可能的最大放大倍數(shù)。 (因此，如果 A vo為 100 dB，則運(yùn)算放大器無法提供高于 100 dB 的增益。)如前所述，很少使用這種放大器配置。有時(shí) A vo表示為 V/mV 的比率。

輸出短路電流 I sc定義了運(yùn)算放大器的最大電流輸出。 I sc通常在 20 到 40 mA 范圍內(nèi)，盡管一些早期的運(yùn)算放大器處理的電流要少得多。

運(yùn)算放大器速度相關(guān)參數(shù)包括壓擺率 (SR)、單位增益帶寬 (BW) 和增益帶寬積 (GBW)。 SR 測(cè)量輸出變化的速度，通常以 V/μsec 為單位。但 SR 受有效運(yùn)算放大器增益的影響。這是因?yàn)榉糯蟮男盘?hào)也具有放大的 SL。例如，放大 10 倍的 1V 信號(hào)的輸出必須從 0V 變化到 10V，同時(shí)輸入從 0V 變化到 1V。因此，典型運(yùn)算放大器的最大輸出頻率直接取決于電路的增益。

運(yùn)算放大器無法跟上信號(hào)并且輸入和輸出具有相同電壓的點(diǎn)是 A v = 1 或單位增益的點(diǎn)。最高工作頻率也是放大器的帶寬 BW。

SR 和 A v之間的直接關(guān)系導(dǎo)致 GBW 的計(jì)算。 可以看出，頻率減半可以使電路獲得兩倍的增益。因此，增益和頻率的乘積始終相同。這就是 GBW。另請(qǐng)注意，對(duì)于增益為 1 的特殊情況，BW 和 GBW 是相同的。

增益還會(huì)影響電壓噪聲 En和電流噪聲 I n，因?yàn)閮烧叨茧S著增益的增加而上升。因此，增益為 100 的放大器的噪聲將是指定值的 100 倍。并且噪聲與系統(tǒng)帶寬有關(guān)。因此，噪聲參數(shù)以分母中的平方根 Hz 為單位定義。寬帶電路比窄帶寬電路有更多的噪聲。

運(yùn)算放大器失真參數(shù)包括以百分比值列出的總諧波失真 (THD)，通常約為 0.01% 或更好。指定運(yùn)算放大器放大信號(hào)的準(zhǔn)確程度的另一種方法是使用瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)，測(cè)量運(yùn)算放大器對(duì)突然變化的反應(yīng)。事實(shí)上，所有運(yùn)算放大器都會(huì)出現(xiàn)一定量的過沖，過沖以輸出信號(hào)的百分比形式列出。幾個(gè)百分點(diǎn)或更高的數(shù)字是典型的。