5。 實用運算放大器
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實用運算放大器
實用運算放大器近似於它們 理想 同行但在某些重要方面有所不同。 電路設計人員必須了解實際運算放大器和理想運算放大器之間的差異，因為這些差異會對電路性能產生不利影響。
我們的目標是開發一種實用的運算放大器的詳細模型，該模型考慮了非理想器件的最重要特徵。 我們首先定義用於描述實際運算放大器的參數。 這些參數在運算放大器製造商提供的數據表上的清單中指定。
表1列出了三個特定運算放大器的參數值，三個運算放大器中的一個是μA741。 我們在許多示例和章末問題中使用μA741運算放大器，原因如下：（1）它們由許多IC製造商製造，（2）它們在整個電子行業中大量存在，並且（ 3）它們是通用內部補償運算放大器，在處理其他運算放大器類型時，它們的屬性可用作比較目的的參考。 由於各個參數在以下部分中定義，因此應參考表9.1以查找典型值。
表1 –運算放大器的參數值
理想運算放大器和實際運算放大器之間最顯著的區別在於電壓增益。 理想的運算放大器的電壓增益接近無窮大。 實際的運算放大器具有有限的電壓增益，隨著頻率的增加而減小（我們將在下一章詳細探討）。
5.1開環電壓增益（G）
運算放大器的開環電壓增益是輸出電壓的變化與沒有反饋的輸入電壓變化之比。 電壓增益是無量綱的。 符號G用於表示開環電壓增益。 運算放大器具有用於低頻輸入的高電壓增益。 運算放大器規範列出了以伏特/毫伏或分貝（dB）為單位的電壓增益[定義為20log10(v出/vin）]。
5.2改進的運算放大器模型
圖14顯示了理想運算放大器模型的修改版本。 我們通過增加輸入電阻來改變理想模型（Ri），輸出電阻（Ro）和共模電阻（Rcm).
圖14 - 修改後的運算放大器模型
這些參數的典型值（對於741運算放大器）是
我們現在考慮圖15的電路，以檢查運算放大器的性能。 運算放大器的反相和非反相輸入由具有串聯電阻的源驅動。 運算放大器的輸出通過電阻反饋到輸入端， RF.
表示驅動兩個輸入的源 vA 和 v1，以及相關的串聯電阻 RA 和 R1。 如果輸入電路更複雜，則可以將這些電阻視為該電路的戴維寧等效電路。
圖15 - 運算放大器電路
5.3 輸入失調電壓（V.io)
當理想運算放大器的輸入電壓為零時，輸出電壓也為零。 對於實際的運算放大器而言，情況並非如此。 該 輸入失調電壓, Vio，定義為使輸出電壓等於零所需的差分輸入電壓。 Vio 理想運算放大器為零。 一個典型的價值 Vio 對於741運算放大器是2 mV。 非零值 Vio 這是不合需要的，因為運算放大器放大了任何輸入偏移，從而產生更大的輸出 dc 錯誤。
以下技術可用於測量輸入偏移電壓。 不是改變輸入電壓以強制輸出為零，而是將輸入設置為零，如圖16所示，並測量輸出電壓。
圖16 - 測量Vio的技術
零輸入電壓產生的輸出電壓稱為 輸出直流偏移電壓。 通過將該量除以運算放大器的開環增益來獲得輸入偏移電壓。
輸入失調電壓的影響可以合併到運算放大器模型中，如圖17所示。
除了包括輸入失調電壓外，理想的運算放大器模型還通過增加四個電阻進行了進一步修改。 Ro 是 輸出電阻。 “ 輸入電阻 運算放大器， Ri，在反相和非反相端子之間測量。 該型號還包含一個電阻，將兩個輸入中的每一個連接到地。
這些都是 共模電阻，每個都等於2Rcm。 如果輸入連接在一起，如圖16所示，這兩個電阻是並聯的，並且Thevenin對地的電阻是 Rcm。 如果運算放大器是理想的， Ri 和 Rcm 接近無窮大（即開路）和 Ro 為零（即短路）。
圖17 - 輸入失調電壓
圖18（a）中所示的外部配置可用於抵消偏移電壓的影響。 可變電壓施加到反相輸入端子。 正確選擇此電壓可抵消輸入偏移。 類似地，圖18（b）說明了應用於非反相輸入的這種平衡電路。
圖18 - 偏移電壓平衡
應用
您可以通過單擊以下鏈接在線模擬TINACloud電路模擬器來測試18（a）電路的輸入偏移電壓平衡。
輸入失調電壓平衡電路仿真（a）與TINACloud
應用
您可以通過點擊以下鏈接在線模擬TINACloud電路模擬器來測試18（b）電路的輸入偏移平衡：
輸入失調電壓平衡電路仿真（b）與TINACloud
5.4 輸入偏置電流（I.偏見)
雖然理想的運算放大器輸入不會消耗電流，但實際的運算放大器允許一些偏置電流進入每個輸入端子。 I偏見 是 dc 電流流入輸入晶體管，典型值為2μA。 當源阻抗低時， I偏見 影響很小，因為它會導致輸入電壓的相對較小的變化。 然而，對於高阻抗驅動電路，小電流可能導致大電壓。
偏置電流可以建模為兩個電流吸收器，如圖19所示。
圖19 - 偏移電壓平衡
這些吸收的值與源阻抗無關。 該 偏置電流 定義為兩個電流吸收器的平均值。 從而
（40）
兩個接收器值之間的差異稱為 輸入偏移電流, Iio，由...給出
（41）
輸入偏置電流和輸入偏移電流都與溫度有關。 該 輸入偏置電流溫度係數 定義為偏置電流的變化與溫度變化的比率。 典型值為10 nA /oC. 輸入偏移電流溫度係數 定義為偏移電流的大小變化與溫度變化的比率。 典型值為-2nA /oC.
圖20 - 輸入偏置電流模型
輸入偏置電流包含在圖20的運算放大器模型中，我們假設輸入失調電流可忽略不計。
那是，
圖21（a） - 電路
我們分析該模型以找出由輸入偏置電流引起的輸出電壓。
圖21（a）顯示了一個運算放大器電路，其中反相和非反相輸入通過電阻連接到地。
電路被圖21（b）中的等效電路所取代，我們忽略了這一點 Vio。 我們通過忽略來進一步簡化圖21（c）中的電路 Ro 和 R加載。 也就是說，我們假設 RF >> Ro 和 R加載 >> Ro。 輸出負載要求通常可確保滿足這些不等式。
該電路在圖21（d）中進一步簡化，其中從屬電壓源和電阻器的串聯組合由從屬電流源和電阻器的並聯組合代替。
最後，我們組合電阻並將兩個電流源更改回電壓源，以獲得圖21（e）的簡化等效電路。
圖21（b）和（c） - 輸入偏差效應
我們使用環路方程來找出輸出電壓。
（43）
哪裡
（44）
共模電阻， Rcm對於大多數運算放大器而言，其範圍為幾百兆歐。 因此
（45）
如果我們進一步假設 Go 如果是大的，則等式（43）變為等式。
（46）
圖21（d）和（e） - 輸入偏差效應
注意，如果值為 R1 如果選擇等於，則輸出電壓為零。 我們從這個分析得出結論 dc 阻力來自 V+ 地面應該等於 dc 阻力來自 V - 到地面。 我們用這個 偏見平衡 在我們的設計中多次約束。 重要的是，反相和非反相端子都具有 dc 接地路徑，以減少輸入偏置電流的影響。
圖22 –示例1的配置
例如1
找到圖22配置的輸出電壓 IB = 80納安= 8 10-8 A.
解決方案： 我們使用簡化形式的公式（46）來查找圖22（a）電路的輸出電壓。
對於圖22（b）的電路，我們得到了
應用
此外，您可以使用TINACloud電路模擬器執行這些計算，使用其解釋器工具，單擊下面的鏈接。
用TINACloud輸入偏置電流建模電路仿真
5.5 共模抑制
運算放大器通常用於放大兩個輸入電壓之間的差異。 因此它在運作 差分模式。 向這兩個輸入中的每一個輸入的恆定電壓不應影響差值，因此不應將其傳輸至輸出。 在實際情況下，此常數或輸入的平均值 不 影響輸出電壓。 如果我們只考慮兩個輸入的相等部分，我們正在考慮所謂的 共同模式.
圖23 - 共模
讓我們假設實際運算放大器的兩個輸入端子連接在一起然後連接到公共電源電壓。 這在圖23中說明。 在理想情況下，輸出電壓為零。 在實際情況中，此輸出不為零。 非零輸出電壓與施加的輸入電壓之比為 共模電壓增益, Gcm。 “ 共模抑制比 （CMRR）定義為的比率 dc 開環增益， Go，共模增益。 從而，
（47）
CMRR的典型值範圍從80到100 dB。 希望CMRR盡可能高。
5.6 電源抑制比
電源抑制比衡量運算放大器忽略電源電壓變化的能力。 如果系統的輸出級吸收可變量的電流，則電源電壓可能會發生變化。 這種負載引起的電源電壓的變化可能導致共享相同電源的其他放大器的操作發生變化。 這被稱為 相聲，它可能導致不穩定。
電源抑制比 (PSRR）是變化的比例 v出 到電源電壓的總變化。 例如，如果正電源和負電源在±5 V至±5.5 V之間變化，則總變化為11 – 10 = 1V。PSRR通常以微伏每伏特或有時以分貝為單位指定。 典型的運算放大器的PSRR約為30μV/ V。
為減少電源電壓的變化，每組運算放大器的電源應該是 解耦 （即，孤立的）與其他群體的那些。 這限制了與單組運算放大器的交互。 實際上，每個印刷電路板的電源線應通過0.1-μF陶瓷或1-μF鉭電容旁路接地。 這可確保負載變化不會通過其他卡的供應顯著增加。
5.7 輸出電阻
作為確定輸出電阻的第一步， R出，我們發現戴維寧相當於圖24中用虛線包圍的框中所示的運算放大器電路部分。 請注意，我們忽略了此分析中的偏移電流和電壓。
（24）
由於電路不包含獨立電源，因此戴維南等效電壓為零，因此該電路等效於單個電阻器。 使用電阻器組合無法找到電阻器的值。 為了找到等效電阻，假定將電壓源v施加到輸出引線。 然後我們計算結果電流， i，並採取比例 v/i。 這產生了戴維寧抗性。
圖25（a部分）–戴維寧等效電路
圖25（b部分）
圖25（a）說明了所施加的電壓源。 電路簡化為圖25（b）所示。
電路可以進一步縮小到圖25（c）所示，其中我們定義了兩個新的電阻，如下所示：
（48）
我們做出這樣的假設 R'A <<（R'1 + Ri) and Ri >> R'1。 得到了圖25（d）的簡化電路。
輸入差分電壓， vd，使用分壓比從該簡化電路中找到。
（49）
為了找到輸出電阻，我們首先編寫輸出迴路方程。
（50）
圖25（c和d部分）–戴維寧等效電路的減少
然後輸出電阻由公式（51）給出。
（51）
在多數情況下， Rcm 太大了 R'A»RA 和 R1“»R1。 使用零頻電壓增益可以簡化公式（51）， Go。 結果是方程（52）。
（52）
應用
您可以使用TINACloud電路仿真器通過以下鏈接通過電路仿真來計算電路25（a）的輸出阻抗。
用TINACloud進行運算放大器電路仿真的輸出阻抗
例如2
找出單位增益緩衝器的輸出阻抗，如圖26所示。
圖26 - Unity增益緩衝區
解決方案： 當圖26的電路與圖24的反饋電路進行比較時，我們發現了這一點
因此，
不能使用公式（51），因為我們不確定導致圖25（c）簡化的不等式是否適用於這種情況。 也就是說，簡化要求
如果沒有這種簡化，電路採用圖27所示的形式。
圖27 - Unity增益緩衝器的等效電路
分析該電路以找到以下關係：
在第一個方程式中，我們假設了這一點 Ro<<（R'1+Ri）<< 2Rcm。 然後給出輸出電阻
我們再次使用零頻電壓增益， Go.