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电子大讲堂:运算放大器开环增益之我见

大多数电压反馈(VFB)型运算放大器的开环电压增益(通常称为AVOL,有时简称AV)都很高。常见值从100000到1000000,高精度器件则为该数值的10至100倍。有些快速运算放大器的开环增益

  大多数电压反应(VFB)型运算放大器的开环电压增益(一般称为AVOL,有时简称AV)都很高。常见值从100000到1000000,高精度器材则为该数值的10至100倍。有些快速运算放大器开环增益要低得多,可是几千以下的增益不合适高精度运用。此外还要留意,开环增益对温度改动并不高度安稳,同一类型的不同器材也会存在极大差异,因而,增益值有必要很高。

  电压反应运算放大器选用电压输入/电压输出方法作业,其开环增益为无量纲比,所以不需求单位。可是,数值较小时,为便利起见,数据手册会以V/mV或V/μV替代V/V表明增益,电压增益也能够dB方式表明,换算联系为dB = 20×logAVOL。因而,1V/μV的开环增益相当于120 dB,以此类推。

  电流反应(CFB)型运算放大器选用电流输入和电压输出,因而,其开环跨导增益以V/A或Ω(或kΩ、MΩ)表明。增益值一般介于几百kΩ与几十MΩ之间。

  依据根本反应原理,为了坚持精度,精细放大器的直流开环增益AVOL有必要很高。经过查看闭环增益公式就能发现这点,该公式包括由有限增益引起的差错。包括有限增益差错的闭环增益公式如下:

  

 

  其间,β是反应环路衰减,也称反应因子(反应网络的电压衰减)。噪声增益等于1/β,因而,该公式还能够其它方式表明。将公式右端两项兼并,把NG(噪声增益)代入,可得到如下公式:

  

 

  公式1和2是等效的,两者均可运用。如前所述,噪声增益(NG)仅仅从与运算放大器输入串联的小电压源取得的增益,是同相方式下的抱负放大器信号增益。假如公式1和2中的AVOL无限大,闭环增益就和噪声增益1/β彻底持平。

  可是,因为NG << AVOL且AVOL为有限值,因而存在闭环增益差错,预算公式如下:

  

 

  留意,公式3中的百分比方式增益差错直接与噪声增益成份额(即噪声增益较小时增益差错也较小),因而,有限AVOL对低增益的影响较小。一些示例能够阐明上述增益联系的关键。

  开环增益不确定性

  下图1中,第一个示例中噪声增益为1000,能够看出,开环增益为200万时,闭环增益差错约为0.05%。留意,若温度、输出负载和电压改动时开环增益坚持不变,0.05%的增益差错很简单经过校准从丈量成果中去除,这样就不存在全体体系增益差错。可是,若开环增益改动,由此产生的闭环增益也会改动。这就导致了增益不确定性。在第二个示例中,AVOL削减至30万,产生的增益差错为0.33%。这种状况会使闭环增益中产生0.28%的增益不确定性。大多数运用中,运用杰出的放大器时,电路的增益电阻是肯定增益差错的最大来历,可是应留意,增益不确定性不能经过校准去除。

  

 

  图1:开环增益改动导致闭环增益不确定性

  输出电平缓输出负载的改动是导致运算放大器开环增益改动的最常见原因。开环增益中信号电平的改动会导致闭环增益传递函数的非线性,也无法在体系校准过程中去除。大多数运算放大器都有固定负载,因而负载的AVOL改动一般不重要。可是,AVOL对输出信号电平的灵敏度在负载电流较高时或许会上升。

  #(开环增益越高越好,这样增益差错就越小)

  非线性的严峻程度在不同类型的器材中改动很大,数据手册中一般不会明确规则。可是一般会规则最小AVOL,挑选高AVOL的运算放大器能够将增益非线性差错的产生概率降至最低。增益非线性的来历有许多,详细取决于运算放大器的规划。其间一个常见来历是热反应(例如从热输出级反应至输入级)。假如温度改动对错线性差错的仅有原因,减小输出负载或许会有所协助。为了验证这一点,需求在空载条件下丈量非线性,然后与负载条件下进行比较。

  丈量开环增益非线性

  下图2所示为丈量直流开环增益非线性的示波器 X-Y显现测验电路。前文评论的与失调电压测验电路相关的防范措施在该电路中也应留意。放大器的信号增益设置为–1,开环增益界说为输出电压的改动除以输入失调电压的改动。可是,AVOL值较大时,实践失调电压在整个输出电压摆幅内或许只改动几微伏。因而,选用10Ω电阻和RG (1 MΩ)组成的除法器时,节点电压VY按以下公式核算:

  

 

  挑选RG值是为了使VY取得可丈量的电压,详细取决于VOS的预期值。

  

 

  图2:丈量开环增益非线性的电路

  ±10 V斜波产生器输出乘以–1的信号增益后,会使得运算放大器输出电压VX在+10 V到–10 V之间摇摆。因为失调电压添加了增益系数,所以需求添加失调调整电位计,将初始输出失调设置为零。挑选的电阻值能够抵消高达±10 mV的输入失调电压。电位计的每一端都应选用安稳的10 V基准电压源(如AD688),以避免输出漂移。还应留意,因为开环增益的转机频率较低,斜坡产生器频率有必要很低,或许不超越1Hz的几分之一(例如,OP177为0.1Hz)。

  图2右侧的坐标图所示为VY与VX的联系图。假如不存在增益非线性,则图中所示应为斜率不变的直线,AVOL按以下公式核算:

  

 

  假如存在非线性,AVOL会跟着输出信号改动而动态改动。开环增益非线性的近似值依据输出电压范围内的AVOL最大值和最小值核算,公式如下:

  

 

  闭环增益非线性用开环增益非线性乘以噪声增益NG核算得出,公式如下:

  

 

  抱负状态下,VOS和VX的联系图是一条斜率不变的直线,斜率的倒数为开环增益AVOL。斜率为零的水平线表明开环增益无限大。实践运算放大器中,因为存在非线性和热反应等要素,斜率会在输出范围内产生改动。实践上,斜率乃至能够改动符号。

  图3所示为OP177精细运算放大器中VY(以及VOS)与VX的联系图。图中所示为2 kΩ和10 kΩ两种负载下的联系图。斜率的倒数依据端点核算,AVOL平均值约为800万。经丈量,AVOL在输出电压范围内的的最大值和最小值别离约为910万和570万。对应的开环增益非线性约为0.07 ppm。因而,噪声增益为100时,对应的闭环增益非线性约为7 ppm。

  

 

  图3:OP177增益非线性

  当然,这些非线性丈量方法在高精度直流电路中最为适用。可是也合适音频之类带宽较宽的运用。例如,图2中的X-Y显现技能能够轻松显现规划不妥的运算放大器输出级的交越失真。

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