【技术】深度剖析运算放大器的基本概念

2017-01-08 世强

【摘要】本文主要介绍了运算放大器运放)的发明及其基本概念,还介绍了理想运放的定义。最后就运放的基本参数展开做了详细的介绍,以便大家能快速地准确地了解和运用运放。


运放的基本概念及理想运放的定义
运算放大器(简称运放)的概念最早由贝尔实验室提出概念,在那个时代的信号还是靠模拟方式传输。为克服长距离信号传输的衰减,由Harry Black提出最早的概念。第一个运算放大器发明于1952年,用真空管搭建。而第一个以集成电路形式出现的独片式运算放大器是Fairchild Semiconductors的Bob Widlar所设计的μA702,1965年经改后推出μA709,这颗运放的开环增益约1000倍,供电电压是+12V、-6V。输出级仅仅是发射极跟随器电路,输入阻抗也很低,为20kΩ左右,仅仅集成了9个晶体管,但是价格高达$300.00。


理想运放的定义是:零偏置电流,零失调电压,零功耗,输入阻抗无穷大,开环增益无穷大,带宽无穷大,共模抑制比无穷大,输出电流无穷大,封装越小越好。但是随着运放的指标越来越近完美运放,人们发现,很多指标其实相互制约的。所以一个模拟前端的设计,本身就是一个妥协和折中的过程。



运放的基本参数
1)共模抑制比(CMRR:Common Mode Rejection Ratio)
理想运放仅仅对输入侧的差分信号做出反应,对于输入的共模电压是隔绝的。但是在实际情况中共模电压会使运放产生失调电压。共模抑制比是运放对源信号噪声过滤的重要指标,它很大程度上影响了整个链路的噪声情况。这个数值是伴随频率变化的,在DC上的最高数值会在手册中标出。


 
2)失调电压(Offset Voltage)
理想的运放在输出为0的时候,两个输入端电压理论上也是0V。实际情况中,由于输入端的晶体管并不是完美匹配,所以需要在输入端灌入一个小电压才能得到0输出。Bipolar输入架构的Vos要比CMOS或JFET架构的要小。Vos受温度(offset drift),共模电压,运放供电电压的影响;同时还是一个随时间函数变化的数值,所以很多客户都会测试并矫正这个数值。


这样的矫正一般会很耗时间,其原因在于不同的条件下都需要测试,而器件手册往往不会给出如此之全面的数据。对于设计一个长工作时间,精确测量设备来说,这样的测试是不可避免的。


 
3)偏置电流(Bias Current)
理想运放的输入阻抗无穷大,因此不会有电流流入输入端。但是,在输入级中的真实运放的第一级放大的基级需要一个使晶体管工作在线性区的直流工作点,该电流称为偏置电流(IB)。


通常有两个偏置电流:IB+和IB-,它们分别流入两个输入端。IB值的范围很大,特殊类型运放的偏置电流低至60fA(大约每3μs通过一个电子),而一些高速运放的偏置电流可高达几十mA。一般提到偏置电流就会说到失调电流。


4)失调电流
单片运放的制造工艺趋于使电压反馈运放的两个偏置电流相等,但不能保证两个偏置电流相等。在电流反馈运放中,输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的。这两个偏置电流之差为输入失调电流IOS,通常情况下IOS很小。


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最新评论

  • 159******52 Lv3 . 高级工程师 2019-01-24
    正在做运放,很实用
  • 用户49108147 Lv4 . 资深工程师 2019-01-23
    学习
  • 用户37866299 Lv4 . 资深工程师 2019-01-23
    充电学习
  • 153******70 Lv4 2019-01-21
    好像是我两年前写的文章,本来计划了上中下三篇,这是第一篇,但是后来因为工作关系没有继续下去
    • 世小强回复:坐等大神更新
  • 文宣 Lv6 . 高级专家 2019-01-20
    学习了
  • 用户22510613 Lv3 . 高级工程师 2019-01-17
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  • 大方 Lv6 . 高级专家 2019-01-17
    学习
  • 风情天地 Lv2 . 工程师 2019-01-17
    还行吧
  • 浩轩 Lv5 . 技术专家 2019-01-17
    学习了
  • 大伟 Lv4 . 资深工程师 2019-01-16
    不错
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