运算放大器的奥秘

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运算放大器无处不在，它源于模拟计算机时代，有着悠久的历史，现在已经成为模拟电子领域的标志性产品。它的名字是如此平淡，我们很少静下心来思考它所代表的含义，更不会想到还有对应的器件“非运算放大器”。“非运算放大器”从字面意思来看，就是“不运算的放大器”。可能有许多放大器并不基于“运算放大器范式”，而是从单个晶体管单元开始，在某些特殊领域这些晶体管的性能可能优于运算放大器，例如适合RF应用的LNA，并且包括一些基本的变体，例如电流反馈和有源反馈器件。本文先提出一个问题：为什么运算放大器如此受欢迎？随后会探讨如果不透彻了解无处不在的运算放大器，在应用中可能会引起的一些鲜为人知的问题。后续文章还会探讨未来几年可能取代运算放大器的产品，包括电流反馈类型，以及替代精密的低失真、宽带、电压模式放大的新解决方案。
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选择和理想

如今，系统设计师可以在众多不同种类的所谓“传统”单片运算放大器中进行选择，这类器件具有差分高阻抗输入，支持小电压VIN，以及单边（或者看似如此）低阻抗输出，由此出现VOUT = AVIN，通常认为放大因数A非常大。我们称这种放大器为OPA。至于其它类型，例如TZA和AFA，我们将在后续专栏中介绍。

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每个OPA都有其特殊的性能，例如只提供几个飞安偏置电流（通常称为静电计级运算放大器）；或者提供超低偏置电压（即所谓的“仪表级运算放大器”，不要与“仪表放大器”混淆，后者通常指固定增益差分输入放大器）；或者具有极低噪声，包括不稳定和具有烦人的低频率噪声（称为1/f）；或者具有宽带宽，同时具有高压摆率时比较有用（虽然并不太需要）；或者支持小功率运行，有时采用非常低的电源电压；或者能够将大功率驱动到负载。每种OPA都体现了一组强大的优化标准，当然，没有任何一种设计是通用的。

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OPA为何应用如此广泛？是否可以将部分原因归结为推广和促销？它独特的优势，近乎万能的特性，只是一个神话吗？显然不是；但是，它未必始终具备其享誉的精度。如果你打开大多数有关运算放大器的教科书，你会发现讨论总是以所谓的“理想特性”开始，开头总是这样的：

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•        无限增益
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坦率地说，即使在传统的应用中，我也不知道如何使用这样的放大器，简单说就是因为这些放大器永远不会稳定下来——即使OPA中绝对没有增益和相位误差。事实上，正是基于这一点才获得高精度。不妨考虑一下实现单位增益反相放大器的简单反馈电路。在实际的实施中，从输出到反相端的物理电阻具有分布电阻和电容，并且具有相当复杂的增益/相位特性。尽管这种特征时间常数非常小，通常是皮秒，但如果放大器确实能在超出关键限值范围以外的频率实现真正的平坦增益，那么它们绝对不稳定。我们可以通过快速仿真来展示这种可能性。当然，这是个学术问题。实际的运算放大器在大多数应用中都具有出色的性能，正是这种高度可预测的良好性能使运算放大器成为现代模拟设计中广泛应用的组成部分。这是如何实现的？

在实际的OPA中，各元件固有的“惯性”会造成相位滞后，在高频时，相位滞后更加严重，从而导致出现大相位角。大部分原因应该归结于晶体管，但电阻的电容特性也会造成相位滞后。如果增益幅度过大，闭环响应将不稳定。这种情况通过“HF补偿”来解决，说明大多数当代运算放大器中都会考虑这一点。稳定性标准大家都很熟悉，比较可靠的教科书中都会进行全面阐述（关于这个主题，推荐大家阅读麻省理工学院的Jim Roberge撰写的《运算放大器》）。到目前为止，最常用的稳定技术是“主导极点（dominant pole）”，它可以保证闭环响应无条件保持稳定（至少在单位闭环增益和并非完全无功负载的情况下），虽然从某些方面来说效率很低，却大大简化了运算放大器的使用。但也正是这种技术导致许多实际应用中的交流增益极低。

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在数据手册中，OPA的性能通过大量与直流特性有关的数据来体现。其中之一是开环直流电压增益AO。在竞争激烈的现代社会，人们认为AO低于100dB（也就是低于x100,000）的运算放大器才刚刚勉强达到标准。所以，人们费尽心力地来提高这个参数值——100万很常见，1000万也算平常。我不明白为什么大家需要这么高的增益。即使在应变仪（strain-gauge）接口这样的应用中，数百万直流增益也是不合理的。

例如，假设我们希望实现x10,000的闭环增益，以便将100mV的信号提升到可用的1V。为了达到-1%的误差，有限的AO必须是100万。但是反馈网络中用来定义增益的电阻的精度绝不会高于1%；应变系数的不确定性往往会导致更大的标度误差。鉴于应变测量通道的单次校准通常都是强制性的，所以使用较低的AO就足以提供足够的性能，特别是当这个参数在温度和电源电压下是稳定的，设计良好的现代产品通常都是如此。

“虚地”毫无根据
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介绍运算放大器的书籍喜欢赞美“虚地”的优点，这个观点源于在OPA的输入端提供对反相输入的负反馈，且（通常）这个OPA输入是接地的非反相输入（此节点可能只是交流接地，或者甚至用于其它与信号相关的用途。）反向输入也被称为“求和节点”，因为它在模拟计算机应用中很常见，通过单个电阻将几个电压转换成电流并求和，求和节点充当所谓的“虚地”。它是虚拟的，因为它并没有通过线缆连接到地面，但是（有人跟我们说）整个系统（OPA和电阻）运行起来就像是接地了一样，除了所有流向它的求和电流必须先流经反馈电阻，并产生输出电压。

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教科书中如此解释：因为增益非常非常高，在这个神奇的求和节点/虚地上从来没有任何显著的电压变化，所以输入电压被精确地转换成与之成比例的电流，而被称为“通过OPA接地”的输出也同样精确。这是一个很诱人的概念，但它并不完全正确。与“所有的求和电流”有关的部分没什么问题，因为OPA的输入电流通常可以忽略不计，即使在频率非常接近f1时也是如此；可以归结为输入电容的量极少。而且，即使是一个适度分流的输入电阻（比如1MΩ）也不算很大问题。

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那么，问题出在哪里呢？简单地说，有限的交流开环增益要求输入端有一定的有限电压，这意味着“虚地”不过是一个节点，在这个节点上，每当输入端有任何变化时，都必定存在一个可能引发问题的适当的电压。为了理解这种观点离理想状态有多遥远，我们不妨考虑一下用于将DAC的输出电流转换为电压的OPA，也就是经典的跨阻抗功能。我们把扩展这个功能的反馈电阻当做RF。现在将运算放大器模拟为一个积分电路（这一步必须做），并考虑与电流阶跃对应的“虚地”的电压摆幅。最开始，运算放大器的输出保持不变；其初始响应类似斜坡，在放大器执行VOUT = -VIN/sT1运算时出现。在本例中，VIN是什么？它其实就是DAC输出电流阶跃（称为IDAC）乘以反馈电阻RF。在IDAC = 2mA、RF = 5kΩ（最终输出为10V）这种典型示例中，输入阶跃也是10V！

（来源于网络整理，版权属原作者）

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