如何正確使用運(yùn)算放大器

　　摘要：運(yùn)算放大器是模擬電路中最主要的元件;運(yùn)放有很多參數(shù)，使用很靈活，而且涉及到模擬電路的許多概念，本文概括了運(yùn)放的一些基本概念和電路技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器;線性;穩(wěn)定性;動(dòng)態(tài)范圍;噪聲

　　戴維寧變換

　　電路理論是運(yùn)放的基礎(chǔ)，所以首先提及戴維寧變換：任何一個(gè)兩端點(diǎn)的電路都可以用一個(gè)電壓源和一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)代替，我們用圖1來(lái)解釋這個(gè)變換。左邊是原先的電路，右邊是變換后的電路。變換后的電壓源等于原先的路端電壓1.67 V，而變換后的串聯(lián)電阻等于原先電路的兩個(gè)電壓源短路后，從A、B端看進(jìn)去的電阻值0.67 kΩ。有了它，復(fù)雜電路的分析便迎刃而解。當(dāng)然，使用戴維寧變換的前提是“電路必須線性”。幸好，我們遇到的電路大都是“線性”的，或者可以被看作“線性”的，或者在某個(gè)區(qū)間內(nèi)可以看作是“線性”的。比如，電阻和電容是線性的(“歐姆定律”的本質(zhì)就是線性);電感通常可以看作是線性的;晶體管，無(wú)論是雙極的還是 MOS 的，都是非線性的;但如果設(shè)計(jì)得好，可以保證在某個(gè)區(qū)間內(nèi)是線性的;而運(yùn)放能使這個(gè)區(qū)間得以擴(kuò)展。

　　運(yùn)放的結(jié)構(gòu)和性能是千變?nèi)f化的，但運(yùn)放又是簡(jiǎn)單的，它的簡(jiǎn)單在于它有極高的放大倍數(shù)，比如幾萬(wàn)倍甚至更高;這當(dāng)然是指低頻區(qū)的情況，比如幾百或幾千赫茲。顯然，如此高的放大倍數(shù)只有通過(guò)負(fù)反饋才可使用。有了負(fù)反饋，運(yùn)放電路(包括運(yùn)放及其外部元件)的特性就與運(yùn)放無(wú)關(guān)，而只取決于外部元件，因而才可以對(duì)信號(hào)作加減、積分、微分等運(yùn)算。這里的奧妙是，運(yùn)放有極高的增益，而外電路是線性和穩(wěn)定的。

　　運(yùn)放電路的分析

　　那么如何來(lái)分析一個(gè)運(yùn)放電路呢?這里先講低頻下如何分析，之后再說(shuō)明高頻時(shí)的一些問(wèn)題。

　　所謂“低頻”是指在這些頻率下，運(yùn)放輸出端上信號(hào)的相位與輸入端基本一致，所以反饋到輸入端的信號(hào)就與輸入信號(hào)反相(運(yùn)放的反饋總是連接到反相端的)，運(yùn)放電路就一定穩(wěn)定。在分析運(yùn)放電路的技巧是：兩個(gè)輸入端總是等電位的，所以在分析時(shí)就可以在兩個(gè)輸入端之間隨意轉(zhuǎn)移。例如，我們來(lái)計(jì)算圖2中電路的增益;圖中的VREF是直流輸入，用來(lái)設(shè)定輸出偏壓。首先，由于運(yùn)放輸入端的阻抗非常高，所以運(yùn)放同相輸入端的電壓VIN+=VINR2/(R1+R2)。由于運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位總是相等，所以反相輸入端的電壓VIN-=VIN+=VINR2/(R1+R2)。由此，流過(guò)RG的電流等于IGF=(VREF-VIN-)/RG=(VREF-VINR2/(R1+R2))/RG。由于反相輸入端的阻抗非常高，所以IGF將全部流過(guò)RF，這樣，輸出電壓VOUT=VIN--IGFRF=VINR2/(R1+R2)-(VREF-VINR2/(R1+R2))RF/RG。由于增益與VREF無(wú)關(guān)，所以電路增益m=VOUT/VIN=[R2/(R1+R2)]×(1+RF/RG)。

　　如果把運(yùn)放電路的放大倍數(shù)設(shè)計(jì)得太低(比如1倍以下)，這就把運(yùn)放輸出信號(hào)幾乎全部地反饋到了輸入端。當(dāng)輸入信號(hào)穿過(guò)運(yùn)放內(nèi)部時(shí)，存在于許多節(jié)點(diǎn)上的電容會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生相位滯后;在高頻下，這個(gè)相位滯后可以大到超過(guò)180°(一個(gè)極點(diǎn)最終產(chǎn)生90°的相移)，加上負(fù)反饋的180°，就使反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相。結(jié)果是，低頻時(shí)的負(fù)反饋在高頻下變成了正反饋，運(yùn)放電路就不穩(wěn)定。奈奎斯特判據(jù)說(shuō)的就是這個(gè)意思。從振蕩器的角度看，這就是所謂的“振幅平衡”和“相位平衡”，或叫Barkhausen準(zhǔn)則。

　　如果設(shè)計(jì)的電路不穩(wěn)定，我們可以做的是對(duì)電路進(jìn)行一些補(bǔ)償。這包括幅度補(bǔ)償和相位補(bǔ)償，而補(bǔ)償?shù)哪康氖歉淖兎答佇盘?hào)的幅度或相位。只要反饋的幅度小于輸入信號(hào)或相位不等于180º，振蕩就不會(huì)發(fā)生。嚴(yán)格一些說(shuō)，這個(gè)幅度和相位是指環(huán)路增益的幅度和相位，而環(huán)路增益等于運(yùn)放增益(A)與反饋系數(shù)(β)之乘積。我們有時(shí)把一個(gè)電容接入不穩(wěn)定的電路，電路就變得穩(wěn)定了，其原因是電容降低了高頻增益，使相移積累到180º時(shí)，增益早就小于1了。不過(guò)，這通常在運(yùn)放性能非常富裕時(shí)才這樣做。

　　回過(guò)來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)電路的穩(wěn)定性是與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)的;上面所說(shuō)的引起振蕩的輸入信號(hào)不是指電路的輸入信號(hào)，而是指電路中的一些雜散信號(hào)，比如噪聲。我們不要把運(yùn)放電路的增益設(shè)計(jì)得太低(使用很深的負(fù)反饋)，至少不要低于產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的規(guī)定值。作為一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，運(yùn)放電路的增益越低，電路就越不穩(wěn)定，這也許跟我們有些人的想法正好相反。如果你想較好地發(fā)揮運(yùn)放的能力，就應(yīng)該了解一些反饋系統(tǒng)的基本原理[1]。