运算放大器设计基础

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。