差分输入与开环增益

运算放大器,常简称运放,是一种具有两个信号输入端和一个输出端的放大器。“同相”端记为正号,“反相”端记为负号;在适用的线性模型中,输出电压等于两输入电压之差乘以开环增益。正负号表示响应方向,并不表示两个端子只能分别接正电压与负电压。

所谓开环,是尚未把输出的一部分反馈到输入。由于开环增益很高,微小差分电压也可能要求很大的输出,实际输出却受供电与内部电路限制。电路图有时省略电源端,但运放并不凭空产生能量。理想模型中的无限增益、无限输入阻抗与零输出阻抗,只是分析的起点。

参考:[1]

负反馈为何能规定增益

把输出经适当网络接回反相端,可形成负反馈:输出的变化反过来减小推动它的输入差值。当环路稳定、增益足够大且器件没有超出工作范围时,两个输入端的电位差很小,这就是常说的“虚短”。它不是实际短路,更不意味着电流能够在两输入端之间自由流动。

反相放大器把信号经输入电阻Rin接到反相端,并用反馈电阻Rf连接输出与反相端,同相端接参考地。忽略输入电流且满足上述条件时,电压增益约为−Rf/Rin。若Rf为20千欧、Rin为10千欧,0.2伏输入便要求约−0.4伏输出;若电源和输出范围不允许这一电压,计算结果就不能成立。

参考:[1] [3]

同相接法与频率代价

同相接法把信号接到同相端,反相端由输出和参考地之间的电阻分压得到反馈,其理想增益约为1+Rf/Rg。输出直接接回反相端则构成电压跟随器,闭环增益接近一,可在合适负载条件下减少后级对前级的影响。不同反馈网络还能实现其他模拟运算,但其准确性始终受实际器件约束。

闭环增益不是频率无关的万能比例。电压反馈运放的开环增益通常随频率升高而下降,因而高频时可用反馈余量变小。在单主极点近似适用的区域,闭环带宽与噪声增益大致呈反比;反相电路的噪声增益为1+Rf/Rin,不能直接拿反相信号增益的绝对值替代。稳定性还与相位裕度有关,并非接上负反馈就必定不振荡。

参考:[1] [2]

虚短之外的器件边界

真实运放需要同时满足输入共模电压范围、允许差分电压、输出摆幅和输出电流等限制。“轨到轨”也不意味着任何负载下都能无误差地达到电源轨。以OPA197系列为例,数据表分别给出输入范围、不同输出电流下的摆幅,以及随共模电压变化的失调和噪声,说明单一宣传参数不足以代表全部性能。

带宽描述小信号频率响应,压摆率则限制输出电压在单位时间内能改变多少。大幅、快速变化的信号可能先触及压摆率限制,即使频率看似仍在小信号带宽内也会失真。此外还存在失调电压、输入偏置电流和噪声。分析时应先检查工作范围及稳定性,再使用虚短、虚断和电阻比公式,最后按数据表估计误差。

参考:[2] [3]