对运算放大器的一点理解

对于运放的一点理解-1

我没有上过大学，所掌握的知识都是通过自学得到的。高深而抽象的电子学是比较难以理解、难以掌握的，它不仅需要高深的理论基础而且需要丰富的实践经验。我的水平是非常有限的，错误在所难免。请大家批评，请大家指教。

作为应用者来说我们应侧重于集成电路的外特性的掌握。希望我们大家共同学习、共同进步。

黑箱(或黑匣)之理论我想大家都了解，如果把运放看作是黑匣的话，那么它是一个具有五个端子的器件(做为理论探讨的模型)，这五个端子是(我想大家都很熟悉了)：正电源端、接地端(或负电源端)、同相输入端、反向输入端及信号输出端。

集成运放的主要技术指标

指标是是一种依据、是一种标准。指标说明了某个产品的基本性能，也定义了产品的属性，因此指标是很重要的概念。

运放的主要指标：

1.开环电压增益

它是指不加负反馈时运放的直流放大倍数开环直流增益)。一般来说，此项指标都很大以致于将其视为无穷大，其目的是为了便于理论分析。

2.输入失调电压

当输入信号等于零时，运放输出端的电压称为输出失调电压。该电压的大小决定了运放的质量。需要注意该项指标的温度漂移，即随温度的变化而导致的增量。温漂越小，质量越 好。

3.差模输入阻抗及共模输入阻抗

差模输入时运放所呈现的输入阻抗(在一定的差模输入电压幅度范围内)称为差模输入阻抗。

共模输入时运放所呈现的输入阻抗(在一定的共模输入电压幅度范围内)，称为共模输入阻抗。

之所以强调输入阻抗(而不用输入电阻)，是由于实际中端子的阻抗性质都是复阻抗，即阻抗中包含有电抗分量(感抗或容抗)，因此都是信号频率的变量。 输入电阻(或输出电阻)是一种特殊情况。

之所以强调输入电压范围，是因为当输入信号的幅度超出一定的范围以后，器件将进入非线性区域，这时候输入阻抗的性质也变成非线性的了，那种“定常”的观点就不适用了。

不仅如此，器件进入非线性区以后，器件的许多指标也成为“非定常”的了。

我自己对差模输入电压的理解是，相对于一块面积比较大的接地导体来说，可以将其视为一个理想的地导体。我对理想的地导体的理解是，导体各处的电势均为零，导体各处的电流均为零。一般我们只关心导体的表面，即导体表面具有上述的性质时就是理想的导体了。当然上述理想的导体平面是不存在的，它是一种理论上的模型，是一种参照。其实我们还可以这样想，即从场的角度上去理解地导体。上述理想接地导体平面就其周围的场的状态来说必然也是为零的。各处电势为零，和外界没有电场的联系;各处的电流为零，和外界没有磁场的联系。因此包围该接地导体的空间是一个无电磁能量的空间。我们也可以用等效的观点看，地导体表面各处的电势不为零，表面各处的电流亦不为零，但是包围其空间的电磁场能为零(就是说地导体周围没有电场、磁场)这说明外界的电场、磁场作用于地导体，地导体也反作用于外界的电磁场能(符合牛顿作用力与反作用力定律)结果是在导体的表面激发出电势及电流，它们所激发的电场及磁场与外界的电场、磁场相互作用互为抵消，使宏观上地导体周围的电磁场为零。当然这种情况下地导体就不能算作是理想的了。理想的地导体电导率无穷大(电阻无穷小)，在任何外界电磁场能量作用下都不会激发电势及电流。

之所以要强调“地导体”是因为在实际问题分析、处理中它是非常重要的。

差模输入信号是对地不平衡的输入信号。它的基本特点是，IN-端及IN+端都获得二分之一的输信号入电压，但是它们的相位相反。当然这是对“地”而言的。

顺便说一下共模输入信号，对地平衡的输入信号就称为共模输入信号。即IN-端和IN+端的输入电压相等且相位相同。

对于高输入阻抗的运放来说，如果共模输入电压幅度超出一定的范围，其是不能够正常工作的。之所以强调该点，是因为对于初学者来说往往忽略了这点。运放在实际的工作环境中总是存在比较强的电磁场干扰的，对于高输入阻抗的输入端子来说，是非常容易感应外界的干扰电压的，而这种干扰电压一般都是以共模信号的形式存在的。虽然说运放一般具有很高的共模抑制比(CMRR)，但是那是在一定的共模输入电压幅度范围内说的，超出了该范围运放的高共模抑制比的特性就不复存在了，以致于器件不能正常工作。降低端子的输入阻抗可以有效的减小电场干扰。

4.开环输出阻抗及闭环输出阻抗

输出电压与输出电流的关系，称为输出阻抗(输出电流与输出电压的关系，称为输出导纳)。运放在实际应用中总是加有电压负反馈，因此闭环输出阻抗比开环输出阻抗要小的多(在一定的频率范围内和一定的负载阻抗时)。

5.正弦及脉冲响应

对于某种实际的器件来说其个性是确定的。对于实际的运放器件来说其特性也是一定的。把运放接成电压跟随器的形式(单位增益)，如图所示。

在这里把电路接成了单电源的形式，因此要求正弦激励源为理想的单位脉动正弦源(输出电压的幅度为1，且始终大于或等于零)，脉冲激励源为理想的单极性单位脉冲源(脉冲幅度为1，上沿时间或下沿时间为零)，负载电阻为额定值。

我们首先考虑正弦激励时的情况。如上图所示输出电压与输入电压应该为等幅同相的关系(在低频的时候的确如此)，但是该关系是随着信号的频率的升高而变化的。随着信号频率的升高不仅输出信号的幅度随之下降，而且失真将随之增大，这些都表明了器件的固有属性。如果随着信号频率的升高输出电压仅是幅度的减小以及相位移的变化，那么说明这种失真是线性失真。如果随着信号频率升高输出信号发生了波形上的畸变，那么就说明输出信号发生了非线性失真。显然，运放的线性失真和非线性失真是并存的。

在考虑一下器件的脉冲响应。在上述理想脉冲的激励下，输出信号(响应信号)将会有一定的畸变。输出信号将会发生延迟时间、上沿时间(或上升时间)、下沿时间(或下降时间)及过冲等，所有这些畸变称为脉冲响应或过渡过程，器件的脉冲响应(过渡过程)反映了器件固有的性质。

器件的脉冲响应与正弦响应是分别是从时域和频域两个角度对器件的测试，目的是为了掌握器件的固有特性。时域与频域在一定条件下可以相互转换(如傅里叶变换)，说明它们是矛盾的统一体，是对一个问题的两种理解，然而本质上时域与频域是统一的。

扩展阅读：集成运放基础知识