【導(dǎo)讀】運算放大器是線性設(shè)計的基本構(gòu)建模塊之一。在經(jīng)典模式下，運算放大器由兩個輸入引腳和一個輸出引腳構(gòu)成，其中一個輸入引腳使信號反相，另一個輸入引腳則保持信號的相位。運算放大器的標(biāo)準(zhǔn)符號如圖1所示。其中略去了電源引腳，該引腳顯然是器件工作的必需引腳。
圖1:運算放大器的標(biāo)準(zhǔn)符號
運算放大器"的標(biāo)準(zhǔn)簡稱是"運放".這一名稱源于放大器設(shè)計的早期，當(dāng)時運算放大器應(yīng)用于模擬計算機中。(是的，第一代計算機是模擬的，不是數(shù)字的。)當(dāng)這種基礎(chǔ)放大器與幾個外部元件配合使用時，可以執(zhí)行各種數(shù)學(xué)"運算",如加、積分等。模擬計算機的主要用途之一體現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時，它們被用來繪制彈道軌跡。有關(guān)運算放大器的歷史，請看參考文獻2。
理想的電壓反饋(VFB)模型
理想的電壓反饋(VFB)運算放大器經(jīng)典模型具有以下特征：
1. 輸入阻抗無窮大
2. 帶寬無窮大
3. 電壓增益無窮大
4. 零輸出阻抗
5. 零功耗
雖然這些并不現(xiàn)實，但這些理想標(biāo)準(zhǔn)決定著運算放大器的質(zhì)量。
這就是所謂的電壓反饋(VFB)模型。這類運算放大器包括帶寬在10 MHz以下的幾乎所有運算放大器，以及帶寬更高的運算放大器的90%.電流反饋(CFB)是另一種運算放大器架構(gòu)，我們將在另一教程中討論。圖2總結(jié)了理想的電壓反饋運算放大器的屬性。
圖2:理想的電壓反饋運算放大器的屬性
基本工作原理
理想的運算放大器的基本工作原理非常簡單。首先，我們假定輸出信號的一部分反饋至反相引腳，以建立放大器的固定增益。這是負反饋。通過運算放大器輸入引腳的任何差分電壓都將與放大器的開環(huán)增益(對于理想的運算放大器，該值無窮大)相乘。如果該差分電壓的幅度在反相(–)引腳上為正且高于同相(+)引腳，則輸出會變成負。如果差分電壓的幅度在同相(+)引腳上為正且高于反相(–)引腳，則輸出電壓將變成正。放大器的無窮大開環(huán)增益會嘗試迫使差分輸入電壓變?yōu)榱阒?。只要輸入和輸出處于放大器的工作電壓范圍之?nèi)，就會使差分輸入電壓保持于零，輸出為輸入電壓與反饋網(wǎng)絡(luò)決定的增益之積。請注意，輸出對差模電壓而非共模電壓作出反應(yīng)。
反相和同相配置
有兩種基本方法可以把理想的電壓反饋運算放大器配置為放大器。分別如圖3和圖4所示。
圖3所示為反相配置。在該電路中，輸出與輸入反相。該電路的信號增益取決于所用電阻的比值，計算公式為：
圖3:反相模式的運算放大器級
圖4所示為同相配置。在該電路中，輸出與輸入同相。該電路的信號增益同樣取決于所用電阻的比值，計算公式為：
圖4:同相模式的運算放大器級
請注意，當(dāng)電路配置為最小增益1(RG = ∞)時，由于輸出驅(qū)動分壓器(增益設(shè)置網(wǎng)絡(luò))，所以反相引腳端的最大可用電壓為全部輸出電壓。
另外注意，在反相和同相兩種配置中，反饋是從輸出引腳到反相引腳。這是負反饋，對設(shè)計師來說，這有許多優(yōu)勢，我們將對此進行詳細討論。
另外需要注意的是，增益是以電阻的比值而不是其實際值為基礎(chǔ)。這就意味著，設(shè)計師可以從多種值中進行選擇，只需遵循某種實際限制即可。
然而，如果電阻的值太低，則需運算放大器輸出引腳提供大量電流才能正常工作。這會導(dǎo)致運算放大器本身的功耗大幅增加，從而帶來多種缺點。功耗增加會使芯片自熱，結(jié)果可能改變運算放大器本身的直流特性。另外，產(chǎn)生熱量最終可能使結(jié)溫升高至150°C以上，而這是多數(shù)半導(dǎo)體常用的上限。結(jié)溫為硅片本身的溫度。另一方面，如果電阻值過高，就會導(dǎo)致噪聲和寄生電容增加，結(jié)果也可能限制帶寬，并有可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和振蕩。
從實用角度來看，10 以下和1 M 以上的電阻很難找到，尤其是需要精密電阻時。
計算反相運算放大器的增益
我們來詳細討論一下反相運算放大器的情況。如圖5所示，同相引腳接地。我們假定采用一種雙極性(正和負)電源。由于運算放大器將強制使通過輸入引腳的差分電壓變成零，所以反相輸入也會表現(xiàn)為地電壓。事實上，這個節(jié)點通常稱為"虛擬地".
圖5:反相放大器增益
如果向輸入電阻施加電壓(VIN)，就會通過電阻(RG)產(chǎn)生電流(I1)，因此：
由于理想的運算放大器輸入阻抗無窮大，因此，不會有電流流入反相輸入引腳。因此，同一電流(I1)一定會流過反饋電阻(RF)。由于放大器將強制使反相引腳變成地，因此，輸出引腳將有電壓(VOUT)：
經(jīng)過一些簡單的算術(shù)運算，可以得到結(jié)論(等式 1)，即：
計算同相運算放大器的增益。
圖6:同相放大器增益
現(xiàn)在，我們來詳細考察一下同相放大器的情況。如圖6所示，輸入電壓施加于同相引腳。
輸出電壓驅(qū)動一個由RF和RG構(gòu)成的分壓器。反相引腳(VA)端的電壓(位于兩個電阻的接合處)等于：
運算放大器的負反饋行為會使差分電壓變成0，因此：
經(jīng)過簡單的算術(shù)運算可得：
與等式2相同。
在上述討論中，我們把增益設(shè)置元件稱為電阻。事實上，它們是阻抗，而不僅僅是電阻。這樣，我們可以構(gòu)建依賴于頻率的放大器。對于這個問題，我們將在以后的教程中詳細討論。
參考文獻：
1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-
0750687034. Chapter 1
2. Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1.
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