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來源：Digi-Key 作者：Kevin Chow 引言 運算放大器（或簡稱運放）是許多電子設計的基本組成部分之一，其應用范圍從簡單的小信號放大到復雜的模擬信號處理，用途廣泛，幾乎可以應用于大多數設計。雖然運放原理很簡單，但在應用中需要考慮很多的參數。當然，新手是無法掌握原理的，即使是經驗豐富的工程設計人員在選擇材料時也可能會忽略一些設計的參數，從而影響產品的工作。 下面就讓我們重溫一下有關運放的基礎電子知識點。在看實際運放的規格參數之前，我先介紹一下理想的運放模型（這對以后的理解很重要）。當然，理想的模型只是為了簡化設計中涉及的數學運算，但實際上并沒有那么簡單。為了清楚起見，現在讓我們看看一些不同的重要參數。 反饋 每個運放都可以進行反饋，讓我們從下圖1的典型負反饋原理圖開始了解。 
圖1：典型反饋原理圖（圖片來源: ADI） 負反饋是將輸出信號的一部分“反饋”到輸入端的過程，但要使反饋為負，必須使用外部電路和附加器件將輸出反饋到運放輸入的負端(或“反相輸入”端)，目的是使輸入端之間的差分輸入電壓接近于零， 以下面的公式（1）表示
開環增益（Open-Loop Gain） 開環增益（AVOL）是放大器在沒有閉合反饋環路情況下的增益，因此稱為“開環”。對于精密運算放大器，該增益可能非常高，能達到大約為 160dB或以上。從直流到主導極點轉折頻率，該增益表現平坦。此后，增益以6dB/倍頻程（20 dB/10倍頻程）下降（注：8倍頻程指頻率增加一倍，10倍頻程指頻率增加十倍）。 如果運算放大器只有一個單極點，則開環增益繼續以該速率下降，如圖2 （單極點響應）所示。
圖2：開環增益（波特圖）- 單極點響應（圖片來源: ADI） 實際上，一般運算放大器有一個以上的極點，如下圖3所示。
圖3：開環增益（波特圖） - 雙極點響應（圖片來源: ADI） 在圖3所示，第二個極點會使開環增益下降至12dB/倍頻程（40dB/10倍頻程）的速率增加一倍。如果開環增益在達到第二個極點的頻率之前降0dB以下，則運算放大器在任何增益下均會無條件地保持穩定。在規格書上，一般將這種情況稱為“單位增益穩定（Unity Gain Stable）”。具體情況，可以參考ADI 公司 ADA4857 的規格書中，有關開環增益頻率響應的圖表（圖4）。
圖4：ADA4857 開環增益頻率響應（圖片來源: ADI） · 注意: 開環增益的不穩定狀態 如果達到第二個極點的頻率且閉環增益大于 1（0db），則放大器可能不穩定。有些運算放大器設計只是在較高閉環增益下才保持穩定， 這就是所謂的非完全補償運算放大器。然而，運算放大器可能在較高頻率下擁有更多額外的寄生極點，前兩個極點一般都是最重要的。 開環增益并不是一項精確控制的參數。其范圍相對較大，在規格參數中，多數情況下均表示為典型值而非最小/最大值。有些情況下，一般指高精度運算放大器，該參數會有一個最小值。另外，開環增益可能因輸出電壓電平和負載而變化。這就是所謂的開環增益非線性度。該參數與溫度也有一定的相關性。一般來說，這些影響很小，多數情況下都可以忽略不計。事實上，一些運算放大器的數據手冊中未必包含開環增益非線性度。 閉環增益（Close-Loop Gain） 閉環增益指放大器在反饋環路閉合時的增益。閉環增益有兩種形式：信號增益和噪聲增益。 · 信號增益和噪聲增益 閉環放大器增益的經典表達方式涉及開環增益。設G為實際閉環增益， 為噪聲增益， 為放大器的開環增益，則：
這樣，一般情況下如果開環增益很高，則電路的閉環增益大多數是噪聲增益。
圖5：信號增益與噪聲增益（圖片來源：ADI） 請留意，用于確定運算放大器穩定性的是噪聲增益，而非信號增益。大多數現代運算放大器都能在單位增益下穩定，但某些特殊用途的放大器無法做到這一點。與標準單位增益穩定型運算放大器相比，非完全補償運算放大器可提供獨特的優勢，比如更低的噪聲電壓和更寬的帶寬。 增益帶寬積（Gain-Bandwidth Product） 對于單極點響應，開環增益6dB/8倍頻程下降。這就是說，如果我們將頻率增加一倍，增益將下降到一半。相反，如果使頻率減半，則開環增益會增加一倍。如圖6所示，結果產生了所謂的增益帶寬積。如果用頻率乘以開環增益，其積始終為一個常數，但這積必須處于整條曲線中以6dB/8倍頻程下降的部分。這樣，我們就得到了一個品質因素，可以據此決定某個運算放大器是否適合特定的應用。請注意，增益帶寬積僅對電壓反饋 (VFB)運算放大器有意義。
圖6：信號增益與噪聲增益（圖片來源：ADI） 例如，如果我們有一個需要閉環增益為10和100kHz帶寬的應用，那么我們是否需要一個至少1MHz增益帶寬積的運算放大器? 這樣解釋有點過分簡化。在現實中，由于增益帶寬積的可變性，以及在閉環增益與開環增益相交的位置，響應實際上要下降3dB，而且最好應留一點額外余量。在上述應用中，增益帶寬積為1MHz的運算放大器只是最少要求。 壓擺率 壓擺率（SR）是指放大器輸出因放大器輸入突然變化而發生變化的速率，其測量單位通常是V/μs。大信號最大工作頻率可以通過下式確定：
某些放大器具有非常大的壓擺率，試圖以漂亮的數字來獲得工程師的青睞，但有時未必真正用的上，因為最大工作頻率受到失真的限制。最簡單的判斷方法是查看失真曲線，了解具體應用在無法接受的失真時對應的頻率是多少。同樣，清楚知道系統要求，這點也是至關重要的。然后，將該頻率代入壓擺率計算公式，計算到底需要多大的壓擺率。
圖7：OP177最大輸出幅度與頻率（圖片來源：ADI） 帶寬 有些人認為帶寬越高越好，但經驗豐富的模擬工程師知道，帶寬足夠適合應用要比帶寬過高更好。評估任何參數的最佳方法是翻閱數據手冊，查看特性曲線，只有這樣才能真正了解放大器的特性。帶寬曲線中是否有過高的峰化？有些制造商將這種現象說成是–3dB帶寬較大，但它也可能說明器件存在穩定性問題。即使–3dB帶寬看起來較大，但放大器的增益平坦度可能會因為峰化而降低。因此，帶寬能夠滿足您的需求即可，帶寬較寬的放大器需要更加注意穩定性和PCB布局布線。 輸出類型 通常，運算放大器的“輸出類型”是根據放大器的輸出結構和應用類別來分類的，在Digi-Key網站內“線性器件 - 放大器 - 儀器、運算放大器、緩沖放大器”產品類別中已經列出不同輸出類型，方便大家挑選合適的運算放大器。 “輸出類型”大致可分為: 差分: 這類運算放大器具有正輸出和負輸出， 它將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大 軌對軌: 這類運算放大器（或稱滿擺幅）的輸入和輸出電壓擺幅非常接近或幾乎等于電源電壓值（通常在毫伏范圍內），這類型在運算放大器中是最普遍。 漏極開路：這類運算放大器的輸出連接到 IC 內部晶體管的基極。 因此，運放工作時，晶體管的漏極導通：只能吸收電流，如圖5所示。 這類運放一般用于電流檢測，可應用范圍不多，所以市場上的選擇較少。
圖8：漏極開路運算放大器輸出電路圖 推挽式：推挽式放大器是指使用NPN晶體管和PNP晶體管的放大器。晶體管相互匹配，因此它們具有大致相同的增益、速度和電流規格。晶體管交替工作在信號的正、負兩個半周期成一推一挽形式的功率放大器。不過和漏極開路一樣，應用范圍并不大，國外也沒有多少廠商會開發這種輸出級運放，所以市場上的選擇比較少。
圖9：A類、B類、AB類輸出級推挽式放大器（圖片來源：ADI） 運算放大器選料上的考慮 工程師選擇合適的運算放大器了解轉換器的參數非常重要。例如上面提到的“增益帶寬積”、“輸出類型”等要求，甚至還要考慮封裝尺寸。如果可以有一個既簡單又清晰的篩選列表，總結了大部分主要參數 ，通過它可以靈活地選擇合適放大器的參數，這一定會提升工程師們選料的效率。 這樣的工具，Digi-Key已經為大家提供了——現在，工程師只需在Digi-Key官網搜索引擎中輸入關鍵詞「opamp」或「運算放大器」，進入「線性器件 - 放大器 - 儀器、運算放大器、緩沖放大器」后，各種運放的詳細參數便可一目了然。
圖10：Digi-Key官網運算放大器篩選選項 總結 通過本文，我們一起重溫了運算放大器的各個基本參數和應用原理。通過了解運算放大器的增益、壓擺率、帶寬、輸出類型等主要參數，深入理解其工作原理和應用領域，并介紹了如何利用清晰易用的Digi-Key運算放大器產品參數篩選列表，滿足工程師的設計所需。今后，我們將會深入討論運算放大器 、比較器和儀表放大器的區別及應用要求，請繼續關注后續的分享文章。 |
