运算放大器的四种放大器设计方法

1. 前言

运算放大器（常简称为“运放”）是广泛应用的、具有超高放大倍数的电路单元。可以由分立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。

运放的输出电位通常只能在高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值之间变化。经过特殊设计的运放可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。这种运放成为轨到轨（rail-to-rail）输出运算放大器。

在放大器采集信号应用中，许多信号链设计人员没有意识到，调整放大器的信号电平、增益和偏移可以让他们使用原来的运算放大器选择。

有几种类型的轨到轨运算放大器 (opamp)。轨到轨输入 (RRI) 运算放大器可以在任何输入下工作，从正电源轨 (V CC ) 一直到地或负电源轨。轨到轨输出 (RRO) 运算放大器可以输出接近正电源轨和负电源轨的电压。轨到轨输入和输出 (RRIO) 运算放大器具有这两种特性。其他非轨到轨输入和输出运算放大器的输入和输出范围有限；但是，它们没有输入交叉失真，并且通常具有更低的输出阻抗和更低的成本。

2.放大器拓扑结构

在这篇文章中，我将讨论四种流行的放大器拓扑：

· 反相放大器。

· 同相放大器。

· 差分放大器。

· 单位增益缓冲器。

反相放大器有利于最小化总谐波失真。图 1 显示了基本原理图。

图 1：反相放大器

由于输入共模范围是设计人员设置的固定电压，因此不需要 RRI。如果输出需要跨越整个 V CC范围，RRO 会很有帮助。

同相放大器保持输入信号极性。图 2 显示了基本原理图。

图 2：同相放大器

所需的输入共模范围将小于输出范围。差分放大器的缩小输入范围意味着我们可能不需要 RRI。如果输出需要跨越整个 V CC范围，RRO 仍然有用。

对于运算放大器的整个 V OUT范围内的操作，输出电压低 (V OL ) 和输出电压高 (V OH ) 将在有效输入共模范围内具有反相引脚电压。对于V中的反相端子电压OL为V OL + R ˚F /（R ˚F + R G ^）*（V REF - V OL）。对于V中的反相端子电压OH为V OH + R ˚F /（R ˚F + R G ^）*（V REF - V OH）。

差分放大器非常适合浮动或平衡输入源。图 3 显示了基本原理图。

图 3：差分放大器

差分增益、同相输入范围和 V REF参考电压设置了必要的输入共模范围。输入共模电压为 (V REF + V IN+ * G)/(G+1)，其中 G 是电路的差分增益，V REF是同相分压器的端接电压，V IN+是同相差分输入. 较低的增益会降低所需的输入共模范围。

我们应该使用上一段中的公式测试最小和最大 V IN+以验证输入共模范围没有被超出。如果输出需要跨越整个 V CC范围，RRO 会很有帮助。

单位增益缓冲器可防止信号负载并提供低输出阻抗。图 4 显示了基本原理图。

图 4：单位增益缓冲区

对于这种配置，输出将忠实地跟踪运算放大器输入和输出电压范围指定的电压的输入。

输出摆幅受输出范围的限制，该范围在数据表规格中对 V OL和 V OH 进行了规定。试图超出输入范围将导致输出信号削波或可能有一个输出阶跃至最大 V OH。图 5 显示了 LMV358，它可以剪辑输出（蓝色曲线）或输出阶跃（红色曲线）。

图 5：使用单位增益电路的RRO LMV358 V OUT与 V IN 的关系，其中 V CC = 3.3V

使用 RRO 器件实现全范围输出需要对输入信号进行电阻衰减以满足输入共模范围，然后放大相同的因子。这种方法的问题是你需要四个电阻而不是一个。这种方法还降低了输入阻抗，这可能会破坏添加单位增益缓冲器的目的。

因此，最好让前级提供一个在运放输入和输出范围内的输出信号。

调整信号电平、增益或偏移后，我们可能会发现运算放大器毕竟是兼容的。