你必须了解的运算放大器基础知识

引言

运算放大器（或简称运放）是许多电子设计的基本组成部分之一，其应用范围从简单的小信号放大到复杂的模拟信号处理，用途广泛，几乎可以应用于大多数设计。虽然运放原理很简单，但在应用中需要考虑很多的参数。当然，新手是无法掌握原理的，即使是经验丰富的工程设计人员在选择材料时也可能会忽略一些设计的参数，从而影响产品的工作。

下面就让我们重温一下有关运放的基础电子知识点。在看实际运放的规格参数之前，我先介绍一下理想的运放模型（这对以后的理解很重要）。当然，理想的模型只是为了简化设计中涉及的数学运算，但实际上并没有那么简单。为了清楚起见，现在让我们看看一些不同的重要参数。

反馈

每个运放都可以进行反馈，让我们从下图1的典型负反馈原理图开始了解。

图1：典型反馈原理图（图片来源： ADI）

负反馈是将输出信号的一部分“反馈”到输入端的过程，但要使反馈为负，必须使用外部电路和附加器件将输出反馈到运放输入的负端（或“反相输入”端），目的是使输入端之间的差分输入电压接近于零， 以下面的公式（1）表示

开环增益

开环增益（AVOL）是放大器在没有闭合反馈环路情况下的增益，因此称为“开环”。对于精密运算放大器，该增益可能非常高，能达到大约为160dB或以上。从直流到主导极点转折频率，该增益表现平坦。此后，增益以6dB/倍频程（20 dB/10倍频程）下降（注：8倍频程指频率增加一倍，10倍频程指频率增加十倍）。如果运算放大器只有一个单极点，则开环增益继续以该速率下降，如图2（单极点响应）所示。

图2：开环增益（波特图）- 单极点响应（图片来源： ADI）

实际上，一般运算放大器有一个以上的极点，如下图3所示。

图3：开环增益（波特图）- 双极点响应（图片来源： ADI）

在图3所示，第二个极点会使开环增益下降至12dB/倍频程（40dB/10倍频程）的速率增加一倍。如果开环增益在达到第二个极点的频率之前降0dB以下，则运算放大器在任何增益下均会无条件地保持稳定。在规格书上，一般将这种情况称为“单位增益稳定（Unity Gain Stable）”。具体情况，可以参考ADI公司 ADA4857的规格书中，有关开环增益频率响应的图表（图4）。

图4：ADA4857开环增益频率响应（图片来源： ADI）

注意： 开环增益的不稳定状态

如果达到第二个极点的频率且闭环增益大于 1（0db），则放大器可能不稳定。有些运算放大器设计只是在较高闭环增益下才保持稳定， 这就是所谓的非完全补偿运算放大器。然而，运算放大器可能在较高频率下拥有更多额外的寄生极点，前两个极点一般都是最重要的。 开环增益并不是一项精确控制的参数。其范围相对较大，在规格参数中，多数情况下均表示为典型值而非最小/最大值。有些情况下，一般指高精度运算放大器，该参数会有一个最小值。另外，开环增益可能因输出电压电平和负载而变化。这就是所谓的开环增益非线性度。该参数与温度也有一定的相关性。一般来说，这些影响很小，多数情况下都可以忽略不计。事实上，一些运算放大器的数据手册中未必包含开环增益非线性度。

闭环增益

闭环增益指放大器在反馈环路闭合时的增益。闭环增益有两种形式：信号增益和噪声增益。

信号增益和噪声增益

闭环放大器增益的经典表达方式涉及开环增益。设G为实际闭环增益，NG为噪声增益，AVOL为放大器的开环增益，则：

这样，一般情况下如果开环增益很高，则电路的闭环增益大多数是噪声增益。

图5：信号增益与噪声增益（图片来源：ADI）

请留意，用于确定运算放大器稳定性的是噪声增益，而非信号增益。大多数现代运算放大器都能在单位增益下稳定，但某些特殊用途的放大器无法做到这一点。与标准单位增益稳定型运算放大器相比，非完全补偿运算放大器可提供独特的优势，比如更低的噪声电压和更宽的带宽。

增益带宽积

对于单极点响应，开环增益6dB/8倍频程下降。这就是说，如果我们将频率增加一倍，增益將下降到一半。相反，如果使频率减半，则开环增益会增加一倍。如图6所示，结果产生了所谓的增益带宽积。如果用频率乘以开环增益，其积始终为一个常数，但这积必须处于整条曲线中以6dB/8倍频程下降的部分。这样，我们就得到了一个品质因素，可以据此决定某个运算放大器是否适合特定的应用。请注意，增益带宽积仅对电压反馈 （VFB）运算放大器有意义。

图6：信号增益与噪声增益（图片来源：ADI）

例如，如果我们有一个需要闭环增益为10和100kHz带宽的应用，那么我们是否需要一个至少1MHz增益带宽积的运算放大器？ 这样解释有点过分简化。在现实中，由于增益带宽积的可变性，以及在闭环增益与开环增益相交的位置，响应实际上要下降3dB，而且最好应留一点额外余量。在上述应用中，增益带宽积为1MHz的运算放大器只是最少要求。

压摆率

压摆率（SR）是指放大器输出因放大器输入突然变化而发生变化的速率，其测量单位通常是V/μs。大信号最大工作频率可以通过下式确定：

f = SR/ 2πVp（其中Vp为峰值电压）

某些放大器具有非常大的压摆率，试图以漂亮的数字来获得工程师的青睐，但有时未必真正用的上，因为最大工作频率受到失真的限制。最简单的判断方法是查看失真曲线，了解具体应用在无法接受的失真时对应的频率是多少。同样，清楚知道系统要求，这点也是至关重要的。然后，将该频率代入压摆率计算公式，计算到底需要多大的压摆率。

图7：OP177最大输出幅度与频率（图片来源：ADI）

带宽

有些人认为带宽越高越好，但经验丰富的模拟工程师知道，带宽足够适合应用要比带宽过高更好。评估任何参数的最佳方法是翻阅数据手册，查看特性曲线，只有这样才能真正了解放大器的特性。带宽曲线中是否有过高的峰化？有些制造商将这种现象说成是–3dB带宽较大，但它也可能说明器件存在稳定性问题。即使–3dB带宽看起来较大，但放大器的增益平坦度可能会因为峰化而降低。因此，带宽能够满足您的需求即可，带宽较宽的放大器需要更加注意稳定性和PCB布局布线。

输出类型

通常，运算放大器的“输出类型”是根据放大器的输出结构和应用类别来分类的，在Digi-Key网站內“线性器件 - 放大器 - 仪器、运算放大器、缓冲放大器”产品类别中已经列出不同输出类型，方便大家挑选合适的运算放大器。

“输出类型”大致可分为：

差分： 这类运算放大器具有正输出和负输出， 它将两个输入端电压的差以一固定增益放大

轨对轨： 这类运算放大器（或称满摆幅）的输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值（通常在毫伏范围内），这类型在运算放大器中是最普遍。

漏极开路：这类运算放大器的输出连接到 IC 内部晶体管的基极。因此，运放工作时，晶体管的漏极导通：只能吸收电流，如图8所示。这类运放一般用于电流检测，可应用范围不多，所以市场上的选择较少。

图8：漏极开路运算放大器输出电路图

推挽式：推挽式放大器是指使用NPN晶体管和PNP晶体管的放大器。晶体管相互匹配，因此它们具有大致相同的增益、速度和电流规格。晶体管交替工作在信号的正、负两个半周期成一推一挽形式的功率放大器。不过和漏极开路一样，应用范围并不大，国外也没有多少厂商会开发这种输出级运放，所以市场上的选择比较少。

图9：A类、B类、AB类输出级推挽式放大器（图片来源：ADI）

更多关于运算放大器的参数信息，这里有一篇很好的帖子分享给大家。

运算放大器选料上的考虑

工程师选择合适的运算放大器了解转换器的参数非常重要。例如上面提到的“增益带宽积”、“输出类型”等要求，甚至还要考虑封装尺寸。如果可以有一个既简单又清晰的筛选列表，总结了大部分主要参数 ，通过它可以灵活地选择合适放大器的参数，这一定会提升工程师们选料的效率。 这样的工具，Digi-Key已经为大家提供了——现在，工程师只需在Digi-Key官网搜索引擎中输入关键词「opamp」或「运算放大器」，进入「线性器件 - 放大器 - 仪器、运算放大器、缓冲放大器」后，各种运放的详细参数便可一目了然。

总结

通过本文，我们一起重温了运算放大器的各个基本参数和应用原理。通过了解运算放大器的增益、压摆率、带宽、输出类型等主要参数，深入理解其工作原理和应用领域，并介绍了如何利用清晰易用的Digi-Key运算放大器产品参数筛选列表，满足工程师的设计所需。今后，我们将会深入讨论运算放大器、比较器和仪表放大器的区别及应用要求，请继续关注后续的分享文章。 最后，如果你喜欢这篇文章吗，快分享给更多的小伙伴吧！切记点个赞哦！

编辑：jq