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理想的電壓反饋型(VFB)運算放大器

發(fā)布時間:2021-12-30 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導讀】運算放大器是線性設計的基本構(gòu)建模塊之一。在經(jīng)典模式下,運算放大器由兩個輸入引腳和一個輸出引腳構(gòu)成,其中一個輸入引腳使信號反相,另一個輸入引腳則保持信號的相位。運算放大器的標準符號如圖1所示。其中略去了電源引腳,該引腳顯然是器件工作的必需引腳。


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圖1:運算放大器的標準符號


運算放大器"的標準簡稱是"運放".這一名稱源于放大器設計的早期,當時運算放大器應用于模擬計算機中。(是的,第一代計算機是模擬的,不是數(shù)字的。)當這種基礎放大器與幾個外部元件配合使用時,可以執(zhí)行各種數(shù)學"運算",如加、積分等。模擬計算機的主要用途之一體現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)期間,當時,它們被用來繪制彈道軌跡。有關運算放大器的歷史,請看參考文獻2。


理想的電壓反饋(VFB)模型


理想的電壓反饋(VFB)運算放大器經(jīng)典模型具有以下特征:


1. 輸入阻抗無窮大

2. 帶寬無窮大

3. 電壓增益無窮大

4. 零輸出阻抗

5. 零功耗


雖然這些并不現(xiàn)實,但這些理想標準決定著運算放大器的質(zhì)量。


這就是所謂的電壓反饋(VFB)模型。這類運算放大器包括帶寬在10 MHz以下的幾乎所有運算放大器,以及帶寬更高的運算放大器的90%.電流反饋(CFB)是另一種運算放大器架構(gòu),我們將在另一教程中討論。圖2總結(jié)了理想的電壓反饋運算放大器的屬性。


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圖2:理想的電壓反饋運算放大器的屬性


基本工作原理


理想的運算放大器的基本工作原理非常簡單。首先,我們假定輸出信號的一部分反饋至反相引腳,以建立放大器的固定增益。這是負反饋。通過運算放大器輸入引腳的任何差分電壓都將與放大器的開環(huán)增益(對于理想的運算放大器,該值無窮大)相乘。如果該差分電壓的幅度在反相(–)引腳上為正且高于同相(+)引腳,則輸出會變成負。如果差分電壓的幅度在同相(+)引腳上為正且高于反相(–)引腳,則輸出電壓將變成正。放大器的無窮大開環(huán)增益會嘗試迫使差分輸入電壓變?yōu)榱阒?。只要輸入和輸出處于放大器的工作電壓范圍之?nèi),就會使差分輸入電壓保持于零,輸出為輸入電壓與反饋網(wǎng)絡決定的增益之積。請注意,輸出對差模電壓而非共模電壓作出反應。


反相和同相配置


有兩種基本方法可以把理想的電壓反饋運算放大器配置為放大器。分別如圖3和圖4所示。


圖3所示為反相配置。在該電路中,輸出與輸入反相。該電路的信號增益取決于所用電阻的比值,計算公式為:


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圖3:反相模式的運算放大器級


圖4所示為同相配置。在該電路中,輸出與輸入同相。該電路的信號增益同樣取決于所用電阻的比值,計算公式為:


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圖4:同相模式的運算放大器級


請注意,當電路配置為最小增益1(RG = ∞)時,由于輸出驅(qū)動分壓器(增益設置網(wǎng)絡),所以反相引腳端的最大可用電壓為全部輸出電壓。


另外注意,在反相和同相兩種配置中,反饋是從輸出引腳到反相引腳。這是負反饋,對設計師來說,這有許多優(yōu)勢,我們將對此進行詳細討論。


另外需要注意的是,增益是以電阻的比值而不是其實際值為基礎。這就意味著,設計師可以從多種值中進行選擇,只需遵循某種實際限制即可。


然而,如果電阻的值太低,則需運算放大器輸出引腳提供大量電流才能正常工作。這會導致運算放大器本身的功耗大幅增加,從而帶來多種缺點。功耗增加會使芯片自熱,結(jié)果可能改變運算放大器本身的直流特性。另外,產(chǎn)生熱量最終可能使結(jié)溫升高至150°C以上,而這是多數(shù)半導體常用的上限。結(jié)溫為硅片本身的溫度。另一方面,如果電阻值過高,就會導致噪聲和寄生電容增加,結(jié)果也可能限制帶寬,并有可能導致不穩(wěn)定和振蕩。


從實用角度來看,10 以下和1 M以上的電阻很難找到,尤其是需要精密電阻時。


計算反相運算放大器的增益


我們來詳細討論一下反相運算放大器的情況。如圖5所示,同相引腳接地。我們假定采用一種雙極性(正和負)電源。由于運算放大器將強制使通過輸入引腳的差分電壓變成零,所以反相輸入也會表現(xiàn)為地電壓。事實上,這個節(jié)點通常稱為"虛擬地".


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圖5:反相放大器增益


如果向輸入電阻施加電壓(VIN),就會通過電阻(RG)產(chǎn)生電流(I1),因此:


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由于理想的運算放大器輸入阻抗無窮大,因此,不會有電流流入反相輸入引腳。因此,同一電流(I1)一定會流過反饋電阻(RF)。由于放大器將強制使反相引腳變成地,因此,輸出引腳將有電壓(VOUT):


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經(jīng)過一些簡單的算術運算,可以得到結(jié)論(等式 1),即:


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計算同相運算放大器的增益。


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圖6:同相放大器增益


現(xiàn)在,我們來詳細考察一下同相放大器的情況。如圖6所示,輸入電壓施加于同相引腳。


輸出電壓驅(qū)動一個由RF和RG構(gòu)成的分壓器。反相引腳(VA)端的電壓(位于兩個電阻的接合處)等于:


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運算放大器的負反饋行為會使差分電壓變成0,因此:


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經(jīng)過簡單的算術運算可得:


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與等式2相同。


在上述討論中,我們把增益設置元件稱為電阻。事實上,它們是阻抗,而不僅僅是電阻。這樣,我們可以構(gòu)建依賴于頻率的放大器。對于這個問題,我們將在以后的教程中詳細討論。


參考文獻:


1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-

0750687034. Chapter 1


2. Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1. 



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