1. 集成运放电路分析
这么说吧,计算Uo1和Uo2,个人认为是没有意义的。
从功能上讲,第一个运放和PNP型的三极管构成了一个受控电压源和电流源,Uo1与具体的三极管参数有关,但它并不重要,重要的是,三极管与运放一起构成了负反馈电路。
具体分析如下:
1)根据叠加原理,第一个运放的同相端电压为:Ui2×R157/(R169+R157)+ 2.9×R169/(R169+R157),假设此电压为(U+)。
2)根据“虚短”,第一个运放的反向输入端电压(U-)与同向输入端电压(U+)相同,为1)当中的计算结果。
3)根据“虚断”,流入第一个运放反向输入端的电流为0,因此,流过R168的电流等于流过R137的电流,由此可以得到三极管上端的电压为:[(U-)-Ui1]/R168×R137 + (U-)。设此电压为U3.
可见,三极管上端的电压是受控的,这是一个受控电压源。此电压又作为了第二个运放的输入。
注意到,R137、R141阻值都比R139大得多,而三极管导通时的通态电阻也较小,因此,可以近似认为流过三极管的电流就等于流过R139的电流 ,也就是说,Uo2其实不是电压输出,而是个电流源,计算Uo2没有意义。其电流输出为: (2.9-U3)/R139。
第二级运放就很简单了,自己计算吧。
2. 模拟电子技术,集成运算放大器分析题。
输入电阻增大,需要引入串联负反馈;输出电阻减小,需要引入电压负反馈。两者结合,电压串联负反馈。
电压负反馈,一定得接4脚,按电压负反馈的分析方法,Uo只要接地,反馈量就消失了。如果接3,Uo接地之后,反馈量是不会消失的。
串联负反馈,应该接2脚,因为对于晶体管电路来说,净输入量是以Ube或者Ugs来表现的,而且反馈网络与基本放大电路是串联关系;如果接1脚,反馈网络(包括栅极上的自举电阻)将以并联形式与基本放大电路相连,就成并联反馈了。
最后再来验证一下负反馈,第一级G极电压增大(这时候UGS是增大的,因为S的电压未改变,而G的电压升高),D减小,第二级的B增大,C减小,即Uo减小,然后通过反馈通路回来,到2脚位置,也是增大,S电压升高,就意味着UGS减小,刚好与第一步相反,验证负反馈成立。
3. 论文:集成运放电路反馈类型的简易判别方法
摘要负反馈放大电路在电子技术课程中占有重要地位。本文就负反馈放大电路中所引反馈类型的判别方法,作了较为深入分析,并结合图例,给出了不同负反馈放大电路类型判别的简单、快速有效方法。
关键词负反馈
放大电路
类型
判别
负反馈放大电路在电子技术课程中占有重要地位。在放大电路中引入负反馈,能使放大电路的放大性能得到改善。在实际工作中,往往根据需要,对放大电路的性能提出一些具体的要求。例如,为了提高电子仪表的测量精度,要求电子仪表的输入级输入电阻要大;为了提高电子设备的带负载能力,要求电子设备的输出电阻要小等,这些都要求我们根据实际需要在放大电路中引入合适的负反馈。当然,要做到这一点,必须首先熟练掌握负反馈放大电路类型的判别方法。在以往的教学过程中,有些同学经常性地出现类型判别错误,对负反馈放大电路的分析与设计造成很大困难。为此,本人根据多年的教学实际,归纳出了负反馈放大电路类型的简便、快速判别方法。
1
负反馈放大电路的基本类型
负反馈放大电路由基本放大电路与反馈电路组成。基本放大电路与反馈电路在输入、输出端有不同的连接方式,根据输入端连接方式的不同分为串联负反馈和并联负反馈;根据输出端连接方式的不同分为电压负反馈和电流负反馈。因此,负反馈放大电路有四种基本类型:电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。
2
负反馈放大电路类型判别方法
负反馈放大电路可以是由晶体三极管构成的,也可以是由模拟集成运算放大器构成的。下面介绍负反馈放大电路类型判别的具体方法。放大电路引入的反馈是正反馈还是负反馈,依据瞬时极性法进行判断,下文均以引入负反馈来分析。
2.1
串联、并联负反馈
负反馈放大电路的类型是串联负反馈还是并联负反馈,与取样方式无关,只与馈信号Xf与输入信号Xi在输入回路的比较方式有关。
2.1.1
串联负反馈
电路如图1所示。
图1反馈信号Xf在输入端的连接方式之一
在输入回路中,如果反馈信号Xf与输入信号Xi接于不同输入端,则一定是串联负反馈。同时反馈信号Xf与输入信号Xi在输入端进行比较时的性质也就确定了,都是电压信号。
2.1.2
并联负反馈
电路如图2所示。
图2反馈信号Xf在输入端的连接方式之二
在输入回路中,如果反馈信号Xf与输入信号Xi接于同一输入端,则一定是并联负反馈。同时反馈信号Xf与输入信号Xi在输入端进行比较时的性质也就确定了,都是电流信号。
2.2
电压、电流负反馈
负反馈放大电路的类型是电压负反馈还是电流负反馈,与比较方式无关,只与馈信号Xf在输出回路的取样方式有关。反馈信号Xf与输出信号Xo成比例。
教材中传统的判断方法:将负载短路,反馈信号消失,则为电压负反馈;负载短路,反馈信号仍然存在,则为电流负反馈。按照这种方法判断,尤其是反馈信号是否消失,对学生来讲,容易出现错误。下面介绍的方法则要简单直观得多,也容易掌握。
2.2.1
电压负反馈
负反馈放大电路是由晶体三极管组成的,在其输出回路中,如果反馈信号是取自输出电压端所在晶体三极管电极支路,则该负反馈类型一定是电压负反馈,上述连接情形如图3所示:
图3反馈信号Xf在输出端的连接方式之一
负反馈放大电路是由模拟集成运算放大器组成的,如果负载接地,输出电压为对地电压,则该负反馈类型一定是电压负反馈。上述连接情形如图4所示。
图4反馈信号Xf在输出端的连接方式之二
2.2.2
电流负反馈
负反馈放大电路是由晶体三极管组成的,在其输出回路中,如果反馈信号是取自与输出电压端所在晶体三极管电极不同的另一电极支路,则该负反馈类型一定是(下转第72页)(上接第68页)电流负反馈;
负反馈放大电路是由模拟集成运算放大器组成的,如果负载不接地,则该负反馈类型一定是电流负反馈。上述连接情形如图5所示。
图5反馈信号Xf在输出端的连接方式之三
3
负反馈放大电路类型简便判别举例
负反馈放大电路如图6所示。
图6负反馈放大电路
电路中,连接输入、输出回路的元件是Rf,显然Rf所在支路为反馈支路。依据瞬时极性法,该电路引入的反馈是负反馈。
在输入回路中,输入信号是从T1的基极输入,反馈信号送回到T1的基极,所以是并联负反馈;在输出回路中,T2的集电极作为电压输出端,而反馈信号取自T2的发射极,所以是电流负反馈。因此很容易判断出该电路的反馈类型是电流并联负反馈。
4
结语
在教学实践过程中,依据上述判别方法,很容易对负反馈放大电路的类型进行快速有效的判断。
4. 关于电工集成运算放大电路放大倍数的计算
1、反相输入
输入信号从反相输入端引入的运算便是反相运算。
图1所示是反相比例运算电路。输入信号经输入端电阻送到反相输入端,而同相输入端通过电阻接“地”。反馈电阻跨接在输出端和反相输入端之间。
根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据可知:
由图1可列出
由此得出
(1)
闭环电压放大倍数则为
(2)
图1 反相比例运算电路
上式表明,输出电压与输入电压是比例运算关系,或者说是比例放大的关系。如果和的阻值足够精确,而且运算放大器的开环电压放大倍数很高,就可以认为和间的关系只取决于与的比值而与运算放大器本身的参数无关。这就保证了比例运算的精度和稳定性。式中的负号表示与反相。
图中的是一平衡电阻,,其作用是消除静态基极电流对输出电压的影响。
在图1中,当时,则由式(1)和(2)可得
(3)
这就是反相器
2、同相输入
输入信号从同相输入端引入的运算便是同相运算。
图2所示是同相比例运算电路,根据理想运算放大器工作在线性区时的分析依据:
由图2可列出
由此得出
(4)
闭环电压放大倍数则为
(5)
可见与间的比例关系也可认为与运算放大器本身的参数无关,其精度和稳定性都很高。式中为正值,这表示与同相,并且总是大于或等于1,不会小于1,这点和反相比例运算不同。
当(断开)或时,则
(6)
这就是电压跟随器。
例1、试计算图3中的大小。
图2同相比例运算电路
图3 例1的图
解:
图3是一电压跟随器,电源+15V经两个15kΩ的电阻分压后在同相输入端得到+7.5V的输入电压,故。
由本例可见,只与电源电压和分压电阻有关,其精度和稳定性较高,可作为基准电压。
例2、在图4所示的两级运算电路中,。若输入电压,试求输出电压,并说明输入级的作用。
图4 例2的图
解:
输入级是电压跟随器,它是串联电压负反馈电路,其输入电阻很高,能起到减轻信号源负担的作用。它的输出电压,,作为输出级的输入。是反相比例运算电路,可得
5. 集成运算放大电路问题求解
第一级运放,反相输入端与输出端短路相连,利用虚短虚断的概念,可分析出相当于一个电压跟随器,即uo1=ui1
再分析第二级放大电路,首先利用虚短的概念,即两输入端电压相同可知在反相输入端的电压为ui2, 再利用虚断的概念,输入端的电流为0,则列出等式
(uo1-ui2)/R1=(ui2-uo)/RF
得uo=(1+RF/R1 *ui2)- RF/R1 *u01=5ui2-4ui1
6. 由集成运算放大器构成的运算电路如图所示,写出输入输出之间的关系,并分析该运算电路的功能
这个是个典型的 加法运算电路 ,分析方法和 反相比例运算放大电路 类似。
由于运放的+接地,所以Rf左边的结点电位为0,由此列出该结点的电流方程:
ui1/Ri1 + ui2/Ri2 + ui3/Ri3 =-uo/Rf
所以:
uo= -Rf(ui1/Ri1 + ui2/Ri2 + ui3/Ri3)
效果就是uo为三个输入电压的数值按照各个输入电阻与Rf的比例 加起来 后取反。
7. 集成运算放大器电路原理
不同的运放他的原理是不同的但基本的方框图是差不多的
集成运算放大器(Integrated Operational Amplifier)简称集成运放,是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高(可达60~180dB),输入电阻大(几十千欧至百万兆欧),输出电阻低(几十欧),共模抑制比高(60~170dB),失调与飘移小,而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点,适用于正,负两种极性信号的输入和输出。
模拟集成电路一般是由一块厚约0.2~0.25mm的P型硅片制成,这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。
运算放大器除具有+、-输入端和输出端外,还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻,这给使用带来很大方便。
按照集成运算放大器的参数分类折叠
1)、通用型运算放大器
通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指
标能适合于一般性使用。例mA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入
级的LF356 都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
2)、高阻型运算放大器
这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>(109~1012)W,IIB 为
几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大
器的差分输入级。用FET 作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,
但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140
等。
3)、低温漂型运算放大器
在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变
化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508
及由MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650 等。
4)、高速型运算放大器
在快速A/D 和D/A 转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR 一定要高,单位增益带宽BWG
一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的
转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715 等,其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。
5)、低功耗型运算放大器
由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用
低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C 等,其工作电
压为±2V~±18V,消耗电流为50~250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600 的供电电源为1.5V,
功耗为10mW,可采用单节电池供电。
6)、高压大功率型运算放大器
运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,
输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,uA791集成运放的输出电流可达1A。
8. 集成运放的工作原理
见图,运放是一个开环放大倍数极大的放大器,两个输入端“+”、“-”之间只要有微小的电压差异,就会使输出端截止或者饱和。而输入端的输入电阻非常大,可以认为不需要输出电流。
如果按照图示将运放接成闭环电路,则运放的放大倍数等于(Rf+R2)/R2.
因为可以理解运放的“-”端的电压永远等于“+”端的,而“+”端的电压等于Vi(R1上无电流,也就无压降),而“—”端的电压又等于Vo在Rf和R2上的分压,
所以有:
Vi=V0×R2/(Rf+R2),即:
Vo=Vi×(Rf+R2)/R2.
9. 理想运算放大器工作在线性区和饱和区时各有何特点,分析方法有何不同
理想运放工作在线性区的特点及分析方法:
(1)理想运放工作在线性区时,输出电压与输入电压呈现线性关系,其中,u0是集成运放的输出电压;u+和u-分别是同相输入端及反相输入端的电压;Auo是开环差模电压放大倍数。根据理想运放的特征,可以导出工作在线性区时集成运放的两个重要特点。
1、虚短:理想运放的差模输入电压等于零
由于理想运放的开环差模电压放大倍数等于无穷大,而输出电压为确定数值,同相输入端电压与反相输入端电压近似相等,如同将u+和u-两点短路一样,但两点的短路是虚假的短路,是等效短路,并不是真正的短路,所以把这种现象称为“虚短”。
2、虚断:理想运放的输入电流等于零,由于理想运放的开环输入电阻rid-∞,因此它不向信号源索取电流,两个输入端都没有电流流入集成运放。
此时,同相输入端电流和反相输入端电流都等于零,如同两点断开一样。而这种断开也不是真正的断路,是等效断路,所以把这种现象称为“虚断”。
(2)理想运放工作在非线性区的特点及分析方法:
集成运放工作在非线性区时,输出电压不再随输入电压线性增长,而是达到饱和。
理想运放工作在非线性区时,也有两个重要特点。
1、当理想运放的u+≠u- 时,理想运放的输出电压达到饱和值
当u+ >u-时,集成运放工作在正向饱和区,输出电压为正饱和值,
当u+ <u-时,集成运放工作在负向饱和压,输出电压为负饱和值,
理想运放工作在非线性区时,u+≠u-,不存在“虚短”现象。
2、理想运放的输入电流等于零
由于理想运放的输入电阻r甜-∞,尽管输入电压u+≠“,仍可认为此时输入电流为零。
(9)集成运算放大电路分析方法扩展阅读
(1)理想运算放大器工作在线性工作状态的最基本应用电路可以分为反相比例运算电路,同相比例运算电路。
(2)集成运算放大器
集成运算放大器简称集成运放,它的内部是直接耦合的多级放大器,整个电路可分为输入级、中间级、输出级三部分。
输入级采用差分放大电路以消除零点漂移和抑制干扰;中间级一般采用共发射极电路,以获得足够高的电压增益;输出级一般采用互补对称功放电路,以输出足够大的电压和电流,其输出电阻小,负载能力强。
集成运放一般由输入端、输出端、偏置电路和中间集四部分组成。
参考资料来源
网络-理想运算放大器
10. 集成运算放大器构成基本运算电路的方法
运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站。
理想的运放
理想的运放如图1所示。通过电阻元件(或者更普遍地通过阻抗元件)施加的负反馈可以产生两种经典的闭环运放配置中的任何一种:反相放大器(图2)和非反相放大器(图3)。这些配置中的闭环增益的经典等式显示,放大器的增益基本上只取决于反馈元件。另外,负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。
电压反馈(VFB)运放
电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样,它们的输出电压是两个输入端之间电压差的函数。为设计用途,电压反馈运放的数据表定义5种不同的增益:开环增益(AVOL)、闭环增益、信号增益、噪声增益和环路增益。
负反馈可以改变AVOL的大小。对高精度放大器来说,无反馈运放的AVOL值非常大,约为160dB或更高(电压增益为10,000或更高)。
图1:理想的运放。
AVOL的范围很大,在数据表中它通常以最小/最大值给出。AVOL还随着电压电平、负载和温度的变化而变化,但这些影响都很小,通常可以忽略不计。
当运放的反馈环路闭合时,它可以提供小于AVOL的闭环增益。闭环增益有信号增益和噪声增益两种形式。
运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站。
理想的运放
理想的运放如图1所示。通过电阻元件(或者更普遍地通过阻抗元件)施加的负反馈可以产生两种经典的闭环运放配置中的任何一种:反相放大器(图2)和非反相放大器(图3)。这些配置中的闭环增益的经典等式显示,放大器的增益基本上只取决于反馈元件。另外,负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。
电压反馈(VFB)运放
电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样,它们的输出电压是两个输入端之间电压差的函数。为设计用途,电压反馈运放的数据表定义5种不同的增益:开环增益(AVOL)、闭环增益、信号增益、噪声增益和环路增益。
负反馈可以改变AVOL的大小。对高精度放大器来说,无反馈运放的AVOL值非常大,约为160dB或更高(电压增益为10,000或更高)。
图1:理想的运放。
AVOL的范围很大,在数据表中它通常以最小/最大值给出。AVOL还随着电压电平、负载和温度的变化而变化,但这些影响都很小,通常可以忽略不计。
当运放的反馈环路闭合时,它可以提供小于AVOL的闭环增益。闭环增益有信号增益和噪声增益两种形式。
信号增益(A)指输入信号通过放大器产生的增益,它是电路设计中头等重要的增益。下面给出了电压反馈电路中信号增益的两个最常见的表达式,它们被广泛用在于反相和同相运放配置中。
图2:反相放大器(a)和非反相放大器(b)是两种经典的闭环运放配置。
对于反相放大器,A=-Rfb/Rin
对于同相放大器,A=1+Rfb/Rin
其中,Rfb是反馈电阻,Rin是输入电阻。
噪声增益指运放中的噪声源增益,它反映了放大器的输入失调电压和电压噪声对输出的影响。噪声增益的等式与上述同相放大器的信号增益等式相同。噪声增益非常重要,因为它被用来确定电路稳定性。另外,噪声增益还是在波特图中使用的闭环增益,波特图可以向电路设计工程师提供放大器的最大带宽和稳定性信息。环路增益等于开环增益与闭环增益之差,或者等于输入信号通过放大器并由反馈网络返回至输入端的总增益。
图3:(a)波特图上的开环增益和噪声增益曲线;(b)电流反馈运放的频率响应。
电压反馈运放的增益带宽积
理想运放的增益和带宽都是无限大的。最常见的真实运放采用电压反馈,这种运放的增益和频率在被称为“增益带宽积(GBW)”的特性中是有关系的。电压反馈运放中的这种关系允许电路设计工程师通过控制反馈电阻(或者阻抗),在带宽和增益之间进行折衷。
对数响应曲线(波特图)给出了电压反馈运放的增益随频率的变化关系,并有助于解释GBW。从直流到由反馈环路的主极点决定的频率之间,增益是恒定不变的。在该频率之上,增益以6dB/8倍程或20dB/10倍程的速率衰减。这称为单极或者一阶响应。6dB/8倍程的衰减速率意味着如果频率升高一倍,增益就会减半。电压反馈运放的这种特性使电路设计工程师可在带宽和增益之间进行折衷。
在一个波特图中画出运放的开环增益和噪声增益曲线,两者的交叉点决定了最大带宽或放大器的闭环频率(fCL)(图4)。这两条曲线的交叉点在波特图增益轴(纵轴)上处于比最大增益小3dB的位置上。事实上,噪声增益渐近地逼近开环增益。渐近响应和真实响应在fCL上下各一个倍程上之差将为1dB。
图4:(a)运放的输入失调电压;(b)运放的输入偏置电流。
电流反馈(CFB)运放
在电流反馈运放中,开环响应是输出电压对输入电流的响应。因此,与电压反馈运放不同,电流反馈运放输入和输出之间的关系不是用增益表示,而是跨阻来表示,单位为欧姆。但更常见的是采用跨阻表示,因此电流反馈运放也被称为跨阻放大器。电流反馈运放的跨阻在500kΩ~1MΩ之间。
与电压反馈运放不同,电流反馈运放没有恒定的增益带宽积。也就是说,当增益随着频率增加而滚降时,滚降速度不等于6dB/8倍程。电流反馈运放可以在较宽的增益范围内保持高带宽,但这是以反馈阻抗的选择有限制为代价的。例如,其中一个限制就是电流反馈运放的反馈环路中不允许有电容,因为电容会使高频下的反馈阻抗降低,从而导致振荡。由于同样原因,杂散电容也必须控制在运放的反相输入端周围。另外,电流反馈运放频率响应曲线的斜率特性要比电压反馈运放的好,虽然杂散电容会削弱电流反馈运放的这个优势。
电流反馈运放和电压反馈运放的不同特性还体现在其它方面。例如,电流反馈运放具有获得最大带宽的最佳反馈电阻值。增大反馈电阻会导致带宽降低,而降低电阻则将减小相位余量,并导致放大器不稳定。电流反馈运放的数据表提供在一个增益范围内所对应的最佳反馈电阻值,以及电源电压值以便使放大器具有最大带宽,这对设计过程很有帮助。最佳反馈电阻值对许多因素都比较敏感,甚至对运放的封装类型也敏感。数据表可能根据封装是小外形IC(SOIC)封装还是双列封装(DIP),给出不同的电阻值。
运放的重要特性
如果运放两个输入端上的电压均为0V,则输出端电压也应该等于0V。但事实上,输出端总有一些电压,该电压称为失调电压VOS。如果将输出端的失调电压除以电路的噪声增益,得到结果称为输入失调电压或输入参考失调电压。这个特性在数据表中通常以VOS给出。VOS被等效成一个与运放反相输入端串联的电压源。必须对放大器的两个输入端施加差分电压,以产生0V输出。
VOS随着温度的变化而改变,这种现象称为漂移,漂移的大小随时间而变化。漂移的温度系数TCVOS通常会在数据表中给出,但一些运放数据表仅提供可保证器件在工作温度范围内安全工作的第二大或者最大的VOS。这种规范的可信度稍差,因为TCVOS可能是不恒定的,或者是非单调变化的。
VOS漂移或者老化通常以mV/月或者mV/1,000小时来定义。但这个非线性函数与器件已使用时间的平方根成正比。例如,老化速度1mV/1,000小时可转化为大约3mV/年,而不是9mV/年。老化速度并不总是在数据表中给出,即便是高精度运放。
理想运放的输入阻抗无穷大,因此不会有电流流入输入端。但是,在输入级中使用双极结晶体管(BJT)的真实运放需要一些工作电流,该电流称为偏置电流(IB)。通常有两个偏置电流:IB+和IB-,它们分别流入两个输入端。IB值的范围很大,特殊类型运放的偏置电流低至60fA(大约每3µs通过一个电子),而一些高速运放的偏置电流可高达几十mA。
单片运放的制造工艺趋于使电压反馈运放的两个偏置电流相等,但不能保证两个偏置电流相等。在电流反馈运放中,输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的。这两个偏置电流之差为输入失调电流IOS,通常情况下IOS很小。
总谐波失真(THD)是指由于放大器的非线性而产生的基频的谐波分量。通常情况下只需要考虑二次和三次谐波,因为更高次谐波的振幅将大大缩小。
THD+N(THD+噪声)是器件产生噪声的原因,它是指不包括基频在内的总信号功率。大多数的数据表都给出THD+N的值,因为大多数测量系统不区分与谐波相关的信号和噪声。THD和THD+N都被用来度量单音调(single-tone)正弦波输入信号产生的失真。
一个更有用且更严格的失真度衡量指标是互调失真(IMD),它可度量由双音调(two-tone)交互干扰的结果而不仅仅是一个载波所产生的动态范围。根据不同应用,一些二阶IMD分量可能可以滤除,但三阶分量的滤除则要更困难些。因此,数据表通常给出器件的三阶截取点(IP3),这是三阶IMD效应的一种最基本度量方式。因为三阶串扰产物引起的信号损坏在许多应用中(特别是在无线电接收机中)都非常普遍,而且很严重,所以这个参数十分重要。
1dB压缩点代表输出信号与理想输入/输出传输函数相比增益下降1dB时的输入信号电平。这是运放动态范围的结束点。
信噪比(SNR)定义了从最大信号电平至背景噪声的RMS电平的动态范围(以dB为单位)。
其它特性在射频(RF)应用中变得非常重要。例如,动态范围是器件能承受的最大输入电平与器件能提供可接受的信号质量的最小输入电平之间的比,如果器件的输入电平处于这两点之间,则器件可提供相对线性的特性(在放大器的限制条件下),若输入电平不在这两点之间,器件就会产生失真。
运放的类型
运放的供电
第一款单片运放正常工作所需的电源电压范围为±15V。如今,由于电路速度的提高和采用低功率电源(如电池)供电,运放的电源正在向低电压方向发展。
尽管运放的电压规格通常被指定为对称的两极电压(如±15V),但是这些电压却不一定要求是对称电压或两极电压。对运放而言,只要输入端被偏置在有源区域内(即在共模电压范围内),那么±15V的电源就相当于+30V/0V电源,或者+20V/–10V电源。运放没有接地引脚,除非在单电源供电应用中把负电压轨接地。运放电路的任何器件都不需要接地。
高速电路的输入电压摆幅小于低速器件。器件的速度越高,其几何形状就越小,这意味着击穿电压就越低。由于击穿电压较低,器件就必须工作在较低电源电压下。
如今,运放的击穿电压一般为±7V左右,因此高速运放的电源电压一般为±5V,它们也能工作在+5V的单电源电压下。
对通用运放来说,电源电压可以低至+1.8V。这类运放由单电源供电,但这不一定意味必须采用低电源电压。单电源电压和低电压这两个术语是两个相关而独立的概念。
运放的工艺技术
运放主要采用双极性工艺技术,但在要求在同一芯片中集成模拟和数字电路的应用中,采用CMOS工艺的运放工作得很好。JFET有时在输入级采用,以增加输入阻抗,从而降低输入偏置电流。FET输入运放(无论是N沟道还是P沟通)允许芯片设计工程师设计出输入信号电平可扩展至负电压轨和正电压轨的运放。
由于BJT是电流控制型器件,所以输入级中的双极晶体管总是汲取一些偏置电流(IB)(图7)。但是,IB会流经运放外部的阻抗,产生失调电压,从而导致系统错误。制造商通过在输入级采用super-beta晶体管或通过构建一个补偿偏置输入架构,来解决这个问题。super-beta晶体管具有极窄的基极区,该基极区所产生的电流增益要比标准BJT中的电流增益大得多。这使得IB非常低,但这是以频率响应性能降低为代价的。在偏置补偿输入中,小电流源被加在输入晶体管的基极,这样,电流源可提供输入器件所需的偏置电流,从而大幅减小外部电路的净电流。
与BJT相比,CMOS运放的输入阻抗要高得多,从而使该电流源输出的偏置电流和失调也小得多。另一方面,与BJT相比,CMOS运放具有更高的固有失调电压和更高的噪声电压,特别是在频率较低的情况下。
按应用对运放进行分类
芯片制造商利用不同的电路设计和工艺技术来强调针对特定应用的某些运放特性。上表列出了这些运放类型的常用术语,以及它们的特性和应用范围。