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运算放大器的奥秘

2019-10-31 Barrie Gilbert,ADI 阅读:
运算放大器的奥秘
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。为什么运算放大器如此受欢迎?未来哪些产品可能取代运算放大器?
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“虚地”毫无根据

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。69Sednc

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。69Sednc

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!69Sednc

当OPA输出在输入端对整个最终值的“误差电压”进行积分的时候,误差按单纯由单位增益频率决定的速率呈指数下降,即基于T1时间常数。在这段时间内,反向节点远非是一个“虚地”,相反在本例中电压上升到最高输出值10V,然后回落到接近零。在实际应用中,实际电压会低于这个值,因为输入晶体管总是会发生发射极-基极击穿(在回转期间,DAC也经常会限制电压摆幅)。69Sednc

有时,OPA的输入端可能包含一个“二极管盒”,以针对如此大的输入提供保护。有时会在电路板上增加肖特基二极管,以“优化加速”。这种二极管能够改善这种情况吗?嗯,它们肯定可以防止输入二极管因为长时间接触反向偏置(瞬变或持续)导致的beta下降,但实际上它们无法加快运算放大器的稳定,原因很多:现在我们不再采用大误差电压,而是将VIN限制在几百毫伏以内,而且,输出端的dV/dt成比例下降至约原速率的1/20。69Sednc

输出地在哪里?

似乎很少有运算放大器用户会关注输出地位于何处。大多数放大器并没有名为“输出地”的引脚。那么,它到底在哪里?使用夏洛克·福尔摩斯的排除法,最后发现,它应该是其中一个电源引脚,或者两个都是!事实就是如此。69Sednc

经典OPA包括一个gm级,然后是一个电流镜,其(单边)电流被积分到片内电容Cc,通常被称为“HF补偿电容”。特征时间常数T1由商Cc/gm(和按这种方式构建的现代滤波器一样)和f1 = gm/2pCc组成。现在,许多OPA都使用所谓的密勒积分器(Miller Integrator)拓扑,在这种拓扑中,这个重要的电容通常连接在一条实际的电源线(在npn实施示例中,通常是VNEG)和输出之间。所以,放大器的交流输出基准电压源实际上就是这条电源线。如果它有噪声,或由于任何原因产生各种其他噪声,所有这些电压都会出现在输出端。69Sednc

作者介绍:69Sednc
Barrie Gilbert是IEEE终身会员、ADI研究员、美国国家工程院院士。他于1937年出生于英国伯恩茅斯,在Mullard Ltd工作时对新“晶体管”产生了兴趣,负责研发第一代平面IC。1964年移居美国后,他加入了俄勒冈州比弗顿的Tektronix公司,在那里开发了首个电子旋钮读取系统,并取得了与仪器相关的其它进展。从1970年到1972年,他回到英国担任Plessey研究实验室的组长。1972年他担任ADI公司的IC设计师,于1979年正式加盟ADI公司,成为第一代研究员。现在,他在比弗顿拥有自己的NW实验室,主导高性能模拟IC的开发。
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因为合并晶体管逻辑(后来称为I2L)方面的成就,他于1970年荣获了IEEE颁发的“杰出成就奖”;1986年,IEEE固态电路委员会授予他“杰出开发奖”,表彰他早期对跨导线性技术的发明。1990年,他获得了“俄勒冈州年度研究员”奖,并因“对非线性信号处理的杰出贡献”获得了固态电路委员会奖(1992年)。他曾先后5次获得ISSCC颁发的“优秀论文”奖,2次获得ESSCIRC颁发的“最佳论文”奖,多次获得行业“最佳产品”奖等;此外,他还撰写了大量关于模拟设计的文章,并经常进行演讲。他在全球拥有100多项专利,并拥有俄勒冈州立大学工程荣誉博士学位。69Sednc

(责编:Jenny Liao)69Sednc

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