运算放大器及其最重要的参数

运算放大器(op-amp)一直是最成功的集成电路之一。一种具有高增益的差分放大器，差分输入和单输出使这种小型、廉价的 IC 能够在各种应用中使用负反馈，其中其增益(比两个输入之间的差值高数十万倍) )、带宽以及输入和输出阻抗由外部电路设置。

顶部，该运算放大器是开环的，因为它没有反馈电路。底部，该运算放大器具有负反馈。由于输出反馈至负输入，因此该器件是非反相的。

由于增益巨大，输入之间的微小差异会导致放大器输出非常接近电源电压。在很少使用的开环配置中，当该差异大于电源电压时，该器件被称为饱和。

在开环配置(无负反馈)中，运算放大器是一个比较器。可以实施正反馈以进行再生。在闭环配置中，电路性能变得稳定并且变得更加可预测。通过将输出的一部分应用到反相输入，增益被降低到合理的水平。增益和响应主要由反馈网络而不是运算放大器的质量决定。

需要注意的一点是，存在特殊类型的运算放大器，包括高频(10 到 100 MHz)单元、电流差运算放大器或跨导运算放大器。

另请注意，运算放大器上没有接地引脚，并且运算放大器可以采用单电源供电。但某些运算放大器被指定需要正电源和负电源。这是因为输入被假定为接地，而交流输入信号在接地之上和之下存在偏差。

还值得注意的是，运算放大器的输入必须保持在电源范围内(称为单电源类型的运算放大器允许输入向下偏离负轨，通常是接地)。因此，此单电源规格的输入端不允许有负电压。

有几个关键参数可帮助确定给定运算放大器对当前任务的适用性。测试可以确定这些参数，其中最重要的参数可以在运算放大器规格表中找到。电源抑制比 (PSRR) 确定运算放大器对电源变化的敏感度。该规格以分贝 (dB) 为单位列出，其中每增加 20 dB，比率就会增加十倍。因此，60dB 值意味着电源 1V 的变化将导致输出 0.001V 的变化。 PSRR 取决于实际电源电压以及噪声频率。较高的工作电压和较低的噪声频率通常会带来更好的 PSRR 值。

与数字逻辑接口(有时会导致显着的电源噪声)的运算放大器通常应具有良好的 PSRR 额定值。对于使用安静电源工作的模拟设计中的运算放大器来说，该参数可能并不那么重要。

为运算放大器供电所需的电流是电源电流 I s，也称为静态电流。它不包括通过外部组件的电流或任何输出电流。

输入电阻 R in 表示运算放大器对输入源施加的负载量。它通常保持尽可能高的值，典型值为数百兆欧。一些较新的运算放大器的输入电阻大于 10 太欧姆(1 太欧姆 = 1,000,000 MΩ)。运算放大器的输入电容通常没有指定，但约为皮法，并且主要由引线决定。

较旧的运算放大器规格表可能仅提供输入偏置电流 I b，而不是实际的输入电阻。 I b是驱动输入所需的电流，可以通过欧姆定律和电源电压产生输入电阻。

输入失调电压 V os和输入失调电流 I os是运算放大器精度的衡量标准，应接近于零。如果运算放大器的两个输入均为零，则输出也应为零。但运算放大器并不完美，因此输出端会有一些残余电压。需要注意的一点是，整个电路的增益会影响运放的输出。因此，增益为 100 的电路将使误差增加 100 倍，这解释了为什么失调电压和电流是指输入而不是输出。具体来说，偏移误差的定义是施加到输入以迫使输出精确为零的电压(或电流)。

对于交流电路来说，偏移误差通常不成问题，因为其影响表现为固定的直流误差。由于交流电路通常是电容耦合的，因此直流会消失。但大增益 (≥1,000) 可能会将 5mV V os转变为输出端的 5V 直流误差，可能导致运算放大器输出电压超过电源电压并导致削波。另一方面，失调误差是直流应用中的一个问题，因为不可能从直流误差中分离出真实的直流信号。

共模电压范围 (CMVR) 规定了可应用于运算放大器的输入电压的限制。大多数新型运算放大器都具有“轨到轨”输入，允许使用高达(包括)V+ 和 V- 轨的任何输入电压。较旧的运算放大器往往会将输入电压限制为低于电源轨。

CMVR 小于电源轨的运算放大器可能会出现微妙的情况。使用单电源的运算放大器可能仅限于使用永远不会达到接地电位的输入，并且以这种方式协调输入可能很困难。另请注意，如果信号比负 CMVR 更负，一些较旧的运算放大器会反转信号。

另一个称为共模抑制比 (CMRR) 的规格是指输入平衡中的误差。理论上，无论施加到输入的电压如何，将运算放大器的反相和非反相输入连接在一起都应该导致零输出。但这只是理论上的。

CMRR 以 dB 为单位，通常为 60 至 80 dB 或更高。 60 dB 的 CMRR 意味着输入之间的平衡可能存在 0.1% 的输入误差。施加到两个输入的 10V 信号或 V cm(CMRR 为 60 dB)似乎是施加到一个输入的 10V 信号和施加到另一个输入的 5.010V 信号。实际的输出误差取决于电路的增益。

当测量大信号中嵌入的小信号时，CMRR 误差尤其重要。例如，电流测量通常涉及测量电流路径中小值电阻器上的电压降。该任务可能需要在 10 伏或更高电压的情况下测量毫伏的分数。

运算放大器大信号电压增益(A v或 A vo)表示在没有任何反馈的情况下可能的最大放大倍数。 (因此，如果 A vo为 100 dB，则运算放大器无法提供高于 100 dB 的增益。)如前所述，很少使用这种放大器配置。有时 A vo表示为 V/mV 的比率。

输出短路电流 I sc定义了运算放大器的最大电流输出。 I sc通常在 20 到 40 mA 范围内，尽管一些早期的运算放大器处理的电流要少得多。

运算放大器速度相关参数包括压摆率 (SR)、单位增益带宽 (BW) 和增益带宽积 (GBW)。 SR 测量输出变化的速度，通常以 V/μsec 为单位。但 SR 受有效运算放大器增益的影响。这是因为放大的信号也具有放大的 SL。例如，放大 10 倍的 1V 信号的输出必须从 0V 变化到 10V，同时输入从 0V 变化到 1V。因此，典型运算放大器的最大输出频率直接取决于电路的增益。

运算放大器无法跟上信号并且输入和输出具有相同电压的点是 A v = 1 或单位增益的点。最高工作频率也是放大器的带宽 BW。

SR 和 A v之间的直接关系导致 GBW 的计算。 可以看出，频率减半可以使电路获得两倍的增益。因此，增益和频率的乘积始终相同。这就是 GBW。另请注意，对于增益为 1 的特殊情况，BW 和 GBW 是相同的。

增益还会影响电压噪声 En和电流噪声 I n，因为两者都随着增益的增加而上升。因此，增益为 100 的放大器的噪声将是指定值的 100 倍。并且噪声与系统带宽有关。因此，噪声参数以分母中的平方根 Hz 为单位定义。宽带电路比窄带宽电路有更多的噪声。

运算放大器失真参数包括以百分比值列出的总谐波失真 (THD)，通常约为 0.01% 或更好。指定运算放大器放大信号的准确程度的另一种方法是使用瞬态响应参数，测量运算放大器对突然变化的反应。事实上，所有运算放大器都会出现一定量的过冲，过冲以输出信号的百分比形式列出。几个百分点或更高的数字是典型的。