电压反馈、常见指标、好坏判别

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什么是运算放大器?

许多教材和参考指南将运算放大器（运放）定义为可以执行各种功能或操作（如放大、加法和减法）的专用集成电路（IC）。虽然我同意这个定义，但仍需注重芯片的输入引脚的电压。

当输入电压相等时，运算放大器通常在线性范围内工作，而运算放大器正是在线性范围内准确地执行上述功能。然而，运算放大器只能改变一个条件来使输入电压相等，即输出电压。因此，运算放大器的输出通常以某种方式连接到输入，这种通常被称为电压反馈。

在本文中，将解释一个通用电压反馈运算放大器的基本操作。

        
图 1 描述了运算放大器的标准示意图符号。有两个输入端（IN+, IN-）、一个输出端（OUT）和两个电源端（V+, V-）。这些端的名称可能因制造商而异，甚至单个制造商也可能使用不同的名称，但它们仍然是相同的五个端。

例如，您可能会看到 Vcc 或 Vdd 而不是 V+。又或者，您可能会看到 Vee 或 Vss 而不是 V-。电源端子的其他标签会有所不同，因为它们指的是器件内部的晶体管类型。例如，当在运算放大器内部使用双极结型晶体管（BJT）时，电源对应于 BJT 的集电极和发射极：Vcc 和 Vee。在运算放大器内部使用场效应晶体管（FET）时，电源标签与 FET 的漏极和源极相对应：Vdd 和 Vss。如今，许多运算放大器同时包含 BJT 和 FET，因此 V+和 V- 是常见的标签，与器件内部的晶体管无关。简言之，不要太在意引脚标签，只要理解它们的作用即可。

        

        

等式 1 表示运算放大器的传递函数：

        

在等式 1 中，AOL 被称为“开环增益”。在现代运算放大器中，它通常是一个非常大的值（120 dB 或 1,000,000 V/V）。例如，如果 IN+和 IN- 之间的电压差仅为 1mV，运算放大器将尝试输出 1000V！在这种配置中，运算放大器不在线性区域内工作，因为输出不能使输入彼此相等（记住，理想情况下 In+等于 In-）。因此，运算放大器需要一种方法来控制开环增益，即通过负反馈来实现。

图 2 描述了作为反馈控制系统一部分的运算放大器。您会注意到输出 OUT 通过一个标记为ß的块反馈到负输入 IN-。ß被称为反馈因子，通常使用电阻来降低输出电压。

        

        图 2：负反馈运算放大器

        
图 3 比较了开环运算放大器和负反馈运算放大器。这些 TINA-TI™软件仿真电路采用的运放是近乎理想的运放，加了电源来限制输出电压。注意，对于左侧的开环配置，输出几乎等于正电源（V+）。这是因为输入引脚之间有一个很小的差异（100mV）。这种小电压被开环增益放大，开环增益会强制输出到其中一个电源电压。在图 3 右侧的负反馈或闭环电路中，运算放大器输出上的分压器需要 200 mV 的输出电压，以便使反相和同相输入相等。

        

        图 3：开环（左）与负反馈（右）

        
输入电压的放大称为增益。它是反馈回路中电阻值的函数。等式 2 描述了图 3 中右边电路的增益方程，这就是所谓的同相放大器。您将看到计算出的输出电压与仿真相符。如果您想要了解有关此电路（以及其他常见的运算放大器电路，如缓冲器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下载电子书“模拟工程师电路指南：放大器”。”

        

运算放大器的输出受到电源电压的限制。图 4 是图 3 中同相放大器的输出电压与输入电压的关系图。注意当输出接近正负电源时，输出由于饱和受限。

        

        图 4：同相放大器电路的输出与输入电压

        
由于这个限制，在图 5 中可以看到，随着输出接近电源，输入引脚之间的电压差 Vdiff 增加。只有当输入几乎相等时，运算放大器才在线性区域工作。

        

        图 5：同相放大器电路的 Vdiff 和 IN+

运算放大器的常见指标及重要特性

▶ 输入失调电压(Offset Voltage，VOS)

定义：在运放开环使用时， 加载在两个输入端之间的直流电压使得放大器直流输出电压为 0。
优劣范围：1µV 以下，属于极优秀的。100µV 以下的属于较好的。最大的有几十mV。
对策：
1、选择 VOS远小于被测直流量的放大器，
2、过运放的调零措施消除这个影响
3、如果你仅关心被测信号中的交变成分，你可以在输入端和输出端增加交流耦合电路，将其消除。

如果 IB1=IB2，那么选择 R1=R2//RF，可以使电流形成的失调电压会消失。但实际中IB1=IB2很难满足
▶ 失调电压漂移(Offset Voltage Drift)
定义：当温度变化(µV/°C)、时间持续(µV/MO)、供电电压(µV/V)等自变量变化时， 输入失调电压会发生变化。
后果：很严重。因为它不能被调零端调零，即便调零完成，它还会带来新的失调。
对策：第一， 就是选择高稳定性，也就是上述漂移系数较小的运放。第二，有些运放具有自归零技术，它能不断地测量失调并在处理信号过程中把当前失调电压减掉。
▶ 输入偏置电流(Input bias current， IB)
定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的平均值。Ib=(Ib1+Ib2)/2
优劣范围：60fA~100µA。
后果：第一，当用放大器接成跨阻放大测量外部微小电流时，过大的输入偏置电流会分掉被测电流，使测量失准。第二，当放大器输入端通过一个电阻接地时，这个电流将在电阻上产生不期望的输入电压。
对策：为避免输入偏置电流对放大电路的影响，最主要的措施是选择 IB较小的放大器。
▶ 输入失调电流(Input offset current， IOS)
定义：当输出维持在规定的电平时，两个输入端流进电流的差值。
优劣范围：20fA~100µA。Ib=Ib1-Ib2
后果：失调电流的存在，说明两个输入端客观存在的电流有差异，无法用外部电阻实现匹配抵消偏置电流的影响。
▶ 噪声指标(Noise)
运放常见的噪声根源有两类，一类为 1/f 噪声，其电能力密度曲线随着频率的上升而下降; 一类为白噪声，或者叫平坦噪声，其电能力密度曲线是一条直线，与频率无关。
如何根据datasheet估算运放的噪声?
如何计算电阻的噪声??
噪声的有效值和峰峰值关系：噪声峰峰值为噪声有效值的 6.6 倍。
▶ 输入电压范围(Input Voltage Range)
定义：保证运算放大器正常工作的最大输入电压范围。也称为共模输入电压范围。
当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时，比如相差 0.1V 甚至相等、超过，都可以叫“输入轨至轨”，表示为 Rail-to-rail input，或 RRI。
理解：运放的两个输入端，任何一个的输入电压超过此范围，都将引起运放的失效。注意，超出此范围并不代表运放会被烧毁，但绝对参数中出现的此值是坚决不能超过的。
▶ 输出电压范围(VOH/VOL 或者 Swing from rail)
定义：在给定电源电压和负载情况下，输出能够达到的最大电压范围。当运放的输出范围已经接近于电源电压范围时，就自称“输出轨至轨”，表示为 Rail-to-rail output，或 RRO。
理解：在没有额外的储能元件情况下，运放的输出电压不可能超过电源电压范围，随着负载的加重，输出最大值与电源电压的差异会越大。
▶ 输出电压范围，或者输出至轨电压有如下特点：
1) 正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致，但一般情况下数量级相同;
2) 至轨电压与负载密切相关，负载越重(阻抗小) 至轨电压越大;
3) 至轨电压与信号频率相关，频率越高，至轨电压越大，甚至会突然大幅度下降;
4) 至轨电压在 20mV 以内，属于非常优秀。
5) RRIO(输入输出均轨至轨)