運放概述&&案例講解&&運算分析

一:基本概念

反向放大器

優點：兩個輸入端電位始終近似為零（同相端接地，反相端虛地），只有差模信號，抗干擾能力強；

缺點：輸入阻抗很小，等于信號到輸入端的串聯電阻的阻值。

同相放大器

優點：輸入阻抗和運放的輸入阻抗相等，接近無窮大

缺點：放大電路沒有虛地，因此有較大的共模電壓，抗干擾能力相對較差，使用時要求運放有較高的共模抑制比，另一個小缺點就是放大倍數只能大于1；

差分放大器

為了好區分設參考電壓V+2.5為V0

V1 = V0*(R2/(R2+R4))

根據虛短可知：同向端和反向端輸入電壓一致

反向端根據電流特性可知：(VIN-V1)/R3 = (V1-Vout)/R1

推算上公式得到：Vout = V1- R1(VIN-V1)/R3

繼續優化計算：Vout = R1/R3(V1*R3/R1-VIN+V1)

Vout = R1/R3【V1(1+R3/R1)-VIN】

我們知道： V1 = V0*【R2/(R2+R4)】帶入可得到

Vout = R1/R3【V0*(R2/(R2+R4))((R1+R3)/R1)-VIN】

當R1 = R2 , R3 = R4

簡化可知：Vout = R1/R3【V0-VIN】 = 0.2【2.5-VIN】

分析點:輸入輸出阻抗，干擾（差模，共模）

1、同向放大器的輸入阻抗和運放的輸入阻抗相等，接近無窮大，同相放大器的輸入電阻取值大小不影響輸入阻抗；而反向放大器的輸入阻抗等于信號到輸入端的串聯電阻的阻值。因此當要求輸入阻抗很高的時候就應選擇同相放大器！

2、同向放大器的輸入信號范圍受運放的共模輸入電壓范圍的限制，反向放大器則無此限制。因此如果要求輸入阻抗不高且相位無要求時，首選反向放大，因為反向放大只存在差模信號，抗干擾能力強，可以得到更大的輸入信號范圍。

3、在設計中要求放大倍數相同的情況下盡量選擇數值小的電阻配合，這樣可以減小輸入偏置電流的影響和分布電容的影響。如果很計較功耗，則要在電阻數值方面折中。

放大器中電阻電容作用分析

基本解釋：上左圖中反向放大電路RG,RF組成反饋比例電阻。在需求輸入阻抗不高的情況下，放大倍數較小，合理的選用上圖反向放大電路比較合適

缺點：存在差模干擾 CF,CL是有利于電路的穩定

基本解釋： 上右圖使用Cc的目的就是實現分壓器的補償，實現R1*Cx = R2*Cc,并且所有頻率的阻抗比都是恒定的，主要是可以消除反饋網絡中的相移或延遲。

R2//R1 = 1.1K 極點：td = RC

我們設置輸入端電容為Cx = Cdiff +Ccm +Cstary = 108pF

R1*Cx = R2*Cc Cc = R1*Cx/R2 = 1*108 /9 = 12pF

td = 12pF*1.1K=13.2ns

有時候我們很難知道輸入端的大小Cx，但是我們可以通過實際電路仿真得到大概的值后再通過電路調試將電路布線等引入的寄生參數平衡出最終的電容。

反饋網絡常見的震蕩和振鈴在負載是容性的時候更明顯，我們應該怎么解決？

案例1---對反饋回路電容

“麻煩制造者”運算放大器開環輸出電阻 (Ro)，實際并非運算放大器內部的一個電阻器。它是一個依賴于運算放大器內部電路的等效電阻。如果不改變運算放大器，就不可能改變它。CL 為負載電容。如果想驅動某個CL就得受限制與Ro和Cl組成得幾點。20KHZ時候運算放大器反饋環路內部1.8MHZ得極點便會帶來問題。如何處理了？降低帶寬，增大增益，還有增加補償，如圖34圖35Cc帶來得區別。在反饋路徑甚至輸入輸出端增加電容或者RC不僅有利于解決電路震蕩問題某些時候還有利于降低運放的輸出Vos等。 我們稱CL為負載電容，但是我們發現很多電路會專門為運放輸出端增加一個電容，我們如何理解？如下圖，我們知道運放從輸入到輸出有建立時間，在實際電路中當輸出端信號有瞬態干擾信號注入時候，這個干擾注入時間小于運放的跟隨建立時間，那中間這段時間，運放輸出端最大電壓可能達到運放的電源軌，進而導致后端電路造成損傷，而增加電容“CL”，Ro可以保證 運放抵抗一定的干擾信號（無緣低通濾波）。當然電容的大小和得取決于電路得需求，高頻電路和低頻電路電容不同，但建議設計者保留焊接位置，方便調試。

案例2---對電源輸入端的電容

電源抑制是放大器抑制電源電壓變化的能力。例如， 下圖顯示該抑制能力在低頻時很強，但隨著頻率的升高而減弱。因此，如果在高頻時的抑制能力較差，則此時會發生振蕩。

上圖中，當供電電源質量一般，且沒有適當的接地旁路電容器為電源中的干擾信號提供低阻抗的回路，那莫電源的干擾會注入運放內部，嚴重時候影響運放的輸出質量，甚至造成震蕩。

上圖中電源供電端增加得電容就是為運放提供合適得電流返回路徑。我們通常對電容分析需從阻抗和儲能兩個邏輯點理解。低阻抗為AC提供低阻回路，當運放輸出帶有感性負載時候，電容的儲能效果更好一些。二者相輔相成，總之，放了沒壞處，一般電源引腳防止0.1uF電容既可以滿足大多數需求。前提是電源入口質量需要足夠好。

一般認為外部電源產生的噪聲會干擾放大器。但運算放大器可能會出現其自身的問題。例如，輸出負載電流必須來自電源端子。在沒有適當旁路的情況下，電源端子的阻抗可能很高。這允許交流電 (AC) 負載電流在電源引腳上產生交流電壓。這會產生意外的、不受控制的反饋路徑。該電源連接中的電感可在電源引腳處放大生成的交流電壓。在高頻應用時，由于電源抑制能力比較弱，這樣一個意外的反饋路徑可能會導致振蕩。

除此之外，當然也存在著來自內部的影響因素。在沒有穩定電源的情況下，內部電路節點可能會相互影響，從而生成多余的反饋路徑。內部電路被設計為在電源端子上具有穩定的低阻抗。在沒有穩定的低阻抗電源做基礎的情況下，放大器的行為可能完全不同并且不可預知。

當在輸入為無噪聲正弦波時，由于旁路較差而導致的意外反饋可能不是整潔的正弦波。電源端子中的信號電流（圖 67）通常會嚴重失真，因為它們僅表示正弦波電流的一半。由于正負電源上的不同電源抑制特性，凈效應將使輸出波形失真。

這些問題會因高負載電流而放大。無功負載會生成相移負載電流，這可能會使問題更加嚴重。由于反饋路徑中的額外相移，電容性負載已經具有更高的振蕩風險。這些具有更高風險的情況可能需要值更高的鉭旁路電容器，并且在進行電路布局、壓縮和導向時應格外小心。

當然，并非所有旁路較差的放大器都會振蕩。可能沒有足夠的正反饋或相位不是十分正確（或者是錯誤的！），從而無法維持振蕩。但即便如此，放大器的的性能同樣可能會受到影響。過度過沖和較差的穩定時間可能會影響頻率和脈沖響應。

但事實上，您并不需要為旁路而瘋狂，被所有的這些顧慮折騰得憂心忡忡。您只需要警惕一些特殊的敏感情況以及具有潛在問題的跡象即可。