芝識課堂——運算放大器（四），最后要看清它的電氣“秉性”

上篇我們全面介紹了運算放大器的各種使用方式，本篇我們來(lái)摸清一下運算放大器還有哪些“秉性”，也就是它的電氣特性。

當運算放大器用作放大器時(shí)，共模輸入電壓范圍表示其正常運行時(shí)的輸入電壓范圍。當運算放大器用于放大來(lái)自傳感器或其它器件的微小信號時(shí)，傳感器分辨率對傳感器的作用相當于輸入補償電壓或共模輸入信號抑制比（CMRR）對運算放大器產(chǎn)生的影響。最小分辨率取決于噪聲量。

圖1：內部噪聲較大的運算放大器

圖2：輸入補償電壓的影響

輸入補償電壓

在實(shí)際應用中，輸入補償電壓乘以閉環(huán)增益（A CL ）后會(huì )被加入輸出電壓中。因此，在傳感器電路情況下，最大輸入補償電壓必須低于其最小靈敏度。

圖3：輸入補償電壓的測試電路

我們來(lái)看下輸入補償電壓為V IO 的運算放大器。如圖3所示的輸入補償電壓測試電路，可將該運算放大器視為理想的運算放大器，外部V Io 電壓源連接至V IN(-) 。V IN(＋) 電壓變?yōu)閂 DD ／2。根據虛擬短路概念，V IN(-) 電壓也變?yōu)閂 DD ／2。因此，R 1 與R 2 交叉處的電壓變?yōu)閂 DD ／2－V IO 。在理想運算放大器情況下，I 1 ＝I 2 。，V IO ＝（V DD ／2－V O ）×R 1 ／（R 1 ＋R 2 ）。請注意，電阻器有一定的容限。 如果超出系統的容限，則需修改電路結構，以減少輸入補償電壓的影響或選用輸入補償電壓較低的運算放大器。

交流耦合電路是能降低輸入補償電壓影響的最簡(jiǎn)單的電路形式。 圖4顯示了一個(gè)交流耦合反相放大器。當電容器C 1 以這種方式連接時(shí)，由于輸入補償電壓引起的電流不會(huì )流經(jīng)R 1 ，因此對V O 的影響較小。

圖4：交流耦合反相放大器

共模輸入信號抑制比

差分放大器的共模輸入信號抑制比（CMRR）是一個(gè)指標，用于表示其抑制在V IN(-) 端和V IN(+) 端處具有相同振幅和相位的兩個(gè)信號或噪聲（共模噪聲）的能力。共模輸入信號抑制比的測試電路如圖5所示。共模輸入電壓范圍（CMVIN）是指在規定條件下滿(mǎn)足規定CMRR的輸入電壓多范圍。

圖5：CMRR和CMVIN的測試電路

其中，V IN1 和V IN2 分別表示CMV IN 的最大值和最小值，V OUT1 和V OUT2 分別表示V IN1 端和V IN2 端的輸出（V O ）電壓。從圖5可以看出，輸入補償電壓（V IO ）是特殊條件（V IN ＝V DD ／2）下的CMRR值。

運算放大器的內部噪聲

運算放大器用于放大來(lái)自傳感器或其它器件的微小信號時(shí)，如有噪聲加至這個(gè)微小信號中，也會(huì )被運算放大器放大。因此，噪聲會(huì )降低傳感器的靈敏度和精度。與運算放大器相關(guān)的噪聲，分為由電磁干擾和外部器件導致的外部噪聲以及內部噪聲。

我們將兩種內部噪聲定義為等效輸入噪聲：

? 取決于頻率的1／f噪聲：電阻器產(chǎn)生的熱噪聲以及半導體中自由移動(dòng)的載流子產(chǎn)生的散粒噪聲；

? 與頻率無(wú)關(guān)的白噪聲：由晶體缺陷導致的閃爍噪聲以及突發(fā)噪聲

1／f噪聲和白噪聲均出現在運算放大器的輸入端，并且都被定義為等效輸入噪聲電壓。等效輸入噪聲被增益放大并出現在輸出端。需特別注意低頻噪聲，因為它的電壓取決于頻率。 為放大微小信號，會(huì )級聯(lián)多個(gè)放大器以防止異常振蕩。

噪聲增益和信號增益

運算放大器中產(chǎn)生的噪聲增益可能不同于信號增益，可以如下方式使用噪聲增益的概念：

? 將等效輸入噪聲轉換為輸出噪聲

? 計算輸入補償電壓對輸出的影響

? 計算振蕩余量

接下來(lái)，讓我們重點(diǎn)來(lái)看看振蕩余量。除振蕩器外，振蕩是指信號在非預期頻率上發(fā)生的意外波動(dòng)。意外噪聲等振蕩來(lái)源通過(guò)反饋回路進(jìn)行循環(huán)，逐漸演變?yōu)檎袷帯?/p>

圖6：增加振蕩余量的電路示例

振蕩來(lái)源為隨機噪聲。必須根據噪聲增益確定振蕩抗擾度，這一點(diǎn)很重要。噪聲增益的概念可用于為振蕩提供余量（即增加噪聲增益）。圖6顯示了使用反相放大器在不改變信號增益的情況下增加振蕩余量的一個(gè)示例。

至此，我們向您全部分享了運算放大器的基本定義、內部原理、使用方式和電氣特性等內容，希望對您的系統電路設計能有所幫助和啟發(fā)。