理想的电压反馈型（VFB）运算放大器 放大器, 计算机

Bazinga

简介
运算放大器是线性设计的基本构建模块之一。在经典模式下，运算放大器由两个输入引脚和一个输出引脚构成，其中一个输入引脚使信号反相，另一个输入引脚则保持信号的相位。运算放大器的标准符号如图1所示。其中略去了电源引脚，该引脚显然是器件工作的必需引脚。

"运算放大器"的标准简称是"运放"。这一名称源于放大器设计的早期，当时运算放大器应用于模拟计算机中。(是的，第一代计算机是模拟的，不是数字的。)当这种基础放大器与几个外部元件配合使用时，可以执行各种数学"运算",如加、积分等。模拟计算机的主要用途之一体现在第二次世界大战期间，当时，它们被用来绘制弹道轨迹。有关运算放大器的历史，请看参考文献2。



图1：运算放大器的标准符号


理想的电压反馈(VFB)模型

理想的电压反馈(VFB)运算放大器经典模型具有以下特征：


1.输入阻抗无穷大
2.带宽无穷大
3.电压增益无穷大
4.零输出阻抗
5.零功耗

虽然这些并不现实，但这些理想标准决定着运算放大器的质量。

这就是所谓的电压反馈(VFB)模型。这类运算放大器包括带宽在10MHz以下的几乎所有运算放大器，以及带宽更高的运算放大器的90%。电流反馈(CFB)是另一种运算放大器架构，我们将在另一教程中讨论。图2总结了理想的电压反馈运算放大器的属性。



图2：理想的电压反馈运算放大器的属性
基本工作原理

理想的运算放大器的基本工作原理非常简单。首先，我们假定输出信号的一部分反馈至反相引脚，以建立放大器的固定增益。这是负反馈。通过运算放大器输入引脚的任何差分电压都将与放大器的开环增益(对于理想的运算放大器，该值无穷大)相乘。如果该差分电压的幅度在反相(-)引脚上为正且高于同相(+)引脚，则输出会变成负。如果差分电压的幅度在同相(+)引脚上为正且高于反相(-)引脚，则输出电压将变成正。放大器的无穷大开环增益会尝试迫使差分输入电压变为零值。只要输入和输出处于放大器的工作电压范围之内，就会使差分输入电压保持于零，输出为输入电压与反馈网络决定的增益之积。请注意，输出对差模电压而非共模电压作出反应。

反相和同相配置

有两种基本方法可以把理想的电压反馈运算放大器配置为放大器。分别如图3和图4所示。



图3：反相模式的运算放大器级




图4：同相模式的运算放大器级


图3所示为反相配置。在该电路中，输出与输入反相。该电路的信号增益取决于所用电阻的比值，计算公式为：




图4所示为同相配置。在该电路中，输出与输入同相。该电路的信号增益同样取决于所用电阻的比值，计算公式为：




请注意，当电路配置为最小增益1(RG = ∞)时，由于输出驱动分压器(增益设置网络)，所以反相引脚端的最大可用电压为全部输出电压。

在反相和同相两种配置中，反馈是从输出引脚到反相引脚。这是负反馈，对设计师来说，这有许多优势，我们将对此进行详细讨论。

另外需要注意的是，增益是以电阻的比值而不是其实际值为基础。这就意味着，设计师可以从多种值中进行选择，只需遵循某种实际限制即可。

然而，如果电阻的值太低，则需运算放大器输出引脚提供大量电流才能正常工作。这会导致运算放大器本身的功耗大幅增加，从而带来多种缺点。功耗增加会使芯片自热，结果可能改变运算放大器本身的直流特性。另外，产生热量最终可能使结温升高至150℃以上，而这是多数半导体常用的上限。结温为硅片本身的温度。另一方面，如果电阻值过高，就会导致噪声和寄生电容增加，结果也可能限制带宽，并有可能导致不稳定和振荡。


从实用角度来看，10Ω以下和1MΩ以上的电阻很难找到，尤其是需要精密电阻时。
计算反相运算放大器的增益

我们来详细讨论一下反相运算放大器的情况。如图5所示，同相引脚接地。我们假定采用一种双极性(正和负)电源。由于运算放大器将强制使通过输入引脚的差分电压变成零，所以反相输入也会表现为地电压。事实上，这个节点通常称为"虚拟地"。



图5：反相放大器增益


如果向输入电阻施加电压(VIN)，就会通过电阻(RG)产生电流(I1)，因此：




由于理想的运算放大器输入阻抗无穷大，因此，不会有电流流入反相输入引脚。因此，同一电流(I1)一定会流过反馈电阻(RF)。由于放大器将强制使反相引脚变成地，因此，输出引脚将有电压(VOUT)：




经过一些简单的算术运算，可以得到结论(等式1)，即：




计算同相运算放大器的增益。



图6：同相放大器增益


现在，我们来详细考察一下同相放大器的情况。如图6所示，输入电压施加于同相引脚。

输出电压驱动一个由RF和RG构成的分压器。反相引脚(VA)端的电压(位于两个电阻的接合处)等于：




运算放大器的负反馈行为会使差分电压变成0，因此：




经过简单的算术运算可得：




与等式2相同。

在上述讨论中，我们把增益设置元件称为电阻。事实上，它们是阻抗，而不仅仅是电阻。这样，我们可以构建依赖于频率的放大器。对于这个问题，我们将在以后的教程中详细讨论。