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理想的电压反馈型(VFB)运算放大器

时间:2015-05-24 14:41:06  来源:  作者:

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升压电感器,该引脚显然是器件工作的必需引脚。

图1:运算放大器的标准符号

图1:运算放大器的标准符号

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.

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(V绕行电感器FB)模型。这类运算放大器包括带宽在10 MHz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,我们插件电感器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

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。

另外注意,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,从而电感生产厂家带来多种缺点。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°C以上,而这是多数半导体常用的大功率电感贴片电感器上限。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。 1

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