5。 实用运算放大器
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实用运算放大器
实用运算放大器近似于它们 理想 同行但在某些重要方面有所不同。 电路设计人员必须了解实际运算放大器和理想运算放大器之间的差异，因为这些差异会对电路性能产生不利影响。
我们的目标是开发一种实用的运算放大器的详细模型，该模型考虑了非理想器件的最重要特征。 我们首先定义用于描述实际运算放大器的参数。 这些参数在运算放大器制造商提供的数据表上的清单中指定。
表1列出了三个特定运算放大器的参数值，三个运算放大器中的一个是μA741。 我们在许多示例和章末问题中使用μA741运算放大器，原因如下：（1）它们由许多IC制造商制造，（2）它们在整个电子行业中大量存在，并且（ 3）它们是通用内部补偿运算放大器，在处理其他运算放大器类型时，它们的属性可用作比较目的的参考。 由于各个参数在以下部分中定义，因此应参考表9.1以查找典型值。
表1 –运算放大器的参数值
理想运算放大器和实际运算放大器之间最显着的区别在于电压增益。 理想的运算放大器的电压增益接近无穷大。 实际的运算放大器具有有限的电压增益，随着频率的增加而减小（我们将在下一章详细探讨）。
5.1开环电压增益（G）
运算放大器的开环电压增益是输出电压的变化与没有反馈的输入电压变化之比。 电压增益是无量纲的。 符号G用于表示开环电压增益。 运算放大器具有用于低频输入的高电压增益。 运算放大器规范列出了以伏特/毫伏或分贝（dB）为单位的电压增益[定义为20log10(v输出/vin）]。
5.2改进的运算放大器模型
图14显示了理想运算放大器模型的修改版本。 我们通过增加输入电阻来改变理想模型（Ri），输出电阻（Ro）和共模电阻（Rcm).
图14 - 修改后的运算放大器模型
这些参数的典型值（对于741运算放大器）是
我们现在考虑图15的电路，以检查运算放大器的性能。 运算放大器的反相和非反相输入由具有串联电阻的源驱动。 运算放大器的输出通过电阻反馈到输入端， RF.
表示驱动两个输入的源 vA 和 v1，以及相关的串联电阻 RA 和 R1。 如果输入电路更复杂，则可以将这些电阻视为该电路的戴维宁等效电路。
图15 - 运算放大器电路
5.3 输入失调电压（V.io)
当理想运算放大器的输入电压为零时，输出电压也为零。 对于实际的运算放大器而言，情况并非如此。 该 输入失调电压, Vio，定义为使输出电压等于零所需的差分输入电压。 Vio 理想运算放大器为零。 一个典型的价值 Vio 对于741运算放大器是2 mV。 非零值 Vio 这是不合需要的，因为运算放大器放大了任何输入偏移，从而产生更大的输出 dc 错误。
以下技术可用于测量输入偏移电压。 不是改变输入电压以强制输出为零，而是将输入设置为零，如图16所示，并测量输出电压。
图16 - 测量Vio的技术
零输入电压产生的输出电压称为 输出直流偏移电压。 通过将该量除以运算放大器的开环增益来获得输入偏移电压。
输入失调电压的影响可以合并到运算放大器模型中，如图17所示。
除了包括输入失调电压外，理想的运算放大器模型还通过增加四个电阻进行了进一步修改。 Ro 是 输出电阻。 该 输入电阻 运算放大器， Ri，在反相和非反相端子之间测量。 该型号还包含一个电阻，将两个输入中的每一个连接到地。
这些都是 共模电阻，每个都等于2Rcm。 如果输入连接在一起，如图16所示，这两个电阻是并联的，并且Thevenin对地的电阻是 Rcm。 如果运算放大器是理想的， Ri 和 Rcm 接近无穷大（即开路）和 Ro 为零（即短路）。
图17 - 输入失调电压
图18（a）中所示的外部配置可用于抵消偏移电压的影响。 可变电压施加到反相输入端子。 正确选择此电压可抵消输入偏移。 类似地，图18（b）说明了应用于非反相输入的这种平衡电路。
图18 - 偏移电压平衡
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您可以通过单击以下链接在线模拟TINACloud电路模拟器来测试18（a）电路的输入偏移电压平衡。
输入失调电压平衡电路仿真（a）与TINACloud
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您可以通过点击以下链接在线模拟TINACloud电路模拟器来测试18（b）电路的输入偏移平衡：
输入失调电压平衡电路仿真（b）与TINACloud
5.4 输入偏置电流（I.偏见)
虽然理想的运算放大器输入不会消耗电流，但实际的运算放大器允许一些偏置电流进入每个输入端子。 I偏见 是 dc 电流流入输入晶体管，典型值为2μA。 当源阻抗低时， I偏见 影响很小，因为它会导致输入电压的相对较小的变化。 然而，对于高阻抗驱动电路，小电流可能导致大电压。
偏置电流可以建模为两个电流吸收器，如图19所示。
图19 - 偏移电压平衡
这些吸收的值与源阻抗无关。 该 偏置电流 定义为两个电流吸收器的平均值。 从而
(40)
两个接收器值之间的差异称为 输入偏移电流, Iio，由...给出
(41)
输入偏置电流和输入偏移电流都与温度有关。 该 输入偏置电流温度系数 定义为偏置电流的变化与温度变化的比率。 典型值为10 nA /oC. 输入偏移电流温度系数 定义为偏移电流的大小变化与温度变化的比率。 典型值为-2nA /oC.
图20 - 输入偏置电流模型
输入偏置电流包含在图20的运算放大器模型中，我们假设输入失调电流可忽略不计。
即，
图21（a） - 电路
我们分析该模型以找出由输入偏置电流引起的输出电压。
图21（a）显示了一个运算放大器电路，其中反相和非反相输入通过电阻连接到地。
电路被图21（b）中的等效电路所取代，我们忽略了这一点 Vio。 我们通过忽略来进一步简化图21（c）中的电路 Ro 和 R加载。 也就是说，我们假设 RF >> Ro 和 R加载 >> Ro。 输出负载要求通常可确保满足这些不等式。
该电路在图21（d）中进一步简化，其中从属电压源和电阻器的串联组合由从属电流源和电阻器的并联组合代替。
最后，我们组合电阻并将两个电流源更改回电压源，以获得图21（e）的简化等效电路。
图21（b）和（c） - 输入偏差效应
我们使用环路方程来找出输出电压。
(43)
哪里
(44)
共模电阻， Rcm对于大多数运算放大器而言，其范围为几百兆欧。 因此
(45)
如果我们进一步假设 Go 如果是大的，则等式（43）变为等式。
(46)
图21（d）和（e） - 输入偏差效应
注意，如果值为 R1 如果选择等于，则输出电压为零。 我们从这个分析得出结论 dc 阻力来自 V+ 地面应该等于 dc 阻力来自 V– 到地面。 我们用这个 偏见平衡 在我们的设计中多次约束。 重要的是，反相和非反相端子都具有 dc 接地路径，以减少输入偏置电流的影响。
图22 –示例1的配置
例子1
找到图22配置的输出电压 IB = 80纳安= 8 10-8 A.
解决方案： 我们使用简化形式的公式（46）来查找图22（a）电路的输出电压。
对于图22（b）的电路，我们得到了
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此外，您可以使用TINACloud电路模拟器执行这些计算，使用其解释器工具，单击下面的链接。
用TINACloud输入偏置电流建模电路仿真
5.5 共模抑制
运算放大器通常用于放大两个输入电压之间的差异。 因此它在运作 差分模式。 向这两个输入中的每一个输入的恒定电压不应影响差值，因此不应将其传输至输出。 在实际情况下，此常数或输入的平均值 不 影响输出电压。 如果我们只考虑两个输入的相等部分，我们正在考虑所谓的 共同模式.
图23 - 共模
让我们假设实际运算放大器的两个输入端子连接在一起然后连接到公共电源电压。 这在图23中说明。 在理想情况下，输出电压为零。 在实际情况中，此输出不为零。 非零输出电压与施加的输入电压之比为 共模电压增益, Gcm。 该 共模抑制比 （CMRR）定义为的比率 dc 开环增益， Go，共模增益。 从而，
(47)
CMRR的典型值范围从80到100 dB。 希望CMRR尽可能高。
5.6 电源抑制比
电源抑制比衡量运算放大器忽略电源电压变化的能力。 如果系统的输出级吸收可变量的电流，则电源电压可能会发生变化。 这种负载引起的电源电压的变化可能导致共享相同电源的其他放大器的操作发生变化。 这被称为 相声，它可能导致不稳定。
电源抑制比 (PSRR）是变化的比例 v输出 到电源电压的总变化。 例如，如果正电源和负电源在±5 V至±5.5 V之间变化，则总变化为11 – 10 = 1V。PSRR通常以微伏每伏或有时以分贝为单位指定。 典型的运算放大器的PSRR约为30μV/ V。
为减少电源电压的变化，每组运算放大器的电源应该是 解耦 （即，孤立的）与其他群体的那些。 这限制了与单组运算放大器的交互。 实际上，每个印刷电路板的电源线应通过0.1-μF陶瓷或1-μF钽电容旁路接地。 这可确保负载变化不会通过其他卡的供应显着增加。
5.7 输出电阻
作为确定输出电阻的第一步， R输出，我们发现戴维宁相当于图24中用虚线包围的框中所示的运算放大器电路部分。 请注意，我们忽略了此分析中的偏移电流和电压。
(24)
由于电路不包含独立电源，因此戴维南等效电压为零，因此该电路等效于单个电阻器。 使用电阻器组合无法找到电阻器的值。 为了找到等效电阻，假定将电压源v施加到输出引线。 然后我们计算结果电流， i，并采取比例 v/i。 这产生了戴维宁抗性。
图25（a部分）–戴维宁等效电路
图25（b部分）
图25（a）说明了所施加的电压源。 电路简化为图25（b）所示。
电路可以进一步缩小到图25（c）所示，其中我们定义了两个新的电阻，如下所示：
(48)
我们做出这样的假设 R'A <<（R'1 + Ri) 以及 Ri >> R'1。 得到了图25（d）的简化电路。
输入差分电压， vd，使用分压比从该简化电路中找到。
(49)
为了找到输出电阻，我们首先编写输出回路方程。
(50)
图25（c和d部分）–戴维宁等效电路的减少
然后输出电阻由公式（51）给出。
(51)
在多数情况下， Rcm 太大了 R'A»RA 和 R1“»R1。 使用零频电压增益可以简化公式（51）， Go。 结果是方程（52）。
(52)
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您可以使用TINACloud电路仿真器通过以下链接通过电路仿真来计算电路25（a）的输出阻抗。
用TINACloud进行运算放大器电路仿真的输出阻抗
例子2
找出单位增益缓冲器的输出阻抗，如图26所示。
图26 - Unity增益缓冲区
解决方案： 当图26的电路与图24的反馈电路进行比较时，我们发现了这一点
因此，
不能使用公式（51），因为我们不确定导致图25（c）简化的不等式是否适用于这种情况。 也就是说，简化要求
如果没有这种简化，电路采用图27所示的形式。
图27 - Unity增益缓冲器的等效电路
分析该电路以找到以下关系：
在第一个方程式中，我们假设了这一点 Ro<<（R'1+Ri）<< 2Rcm。 然后给出输出电阻
我们再次使用零频电压增益， Go.