集成運(yùn)算放大器的特性及其在音頻放大器中的應(yīng)用_二_開環(huán)增益特

1、 實(shí)用影音技術(shù)一 、 開環(huán)增益和閉環(huán)增益運(yùn)算放大器的等效電路有好幾種表示方式 , 最簡(jiǎn)單 又能說明問題的是圖 1所示將差動(dòng)輸入的信號(hào) (同相輸入 端和反向輸入端之間的輸入電壓差 放大 A 倍后輸出的等 效電路 。 這里的 A 倍增益被稱為開環(huán)增益 。用運(yùn)放構(gòu)成的放大電路不管是同相放大器還是反向 放大器 , 使用時(shí)在輸出端與輸入端之間一般都有負(fù)反饋環(huán) 路 。 設(shè)定有負(fù)反饋環(huán)路的電路增益稱為閉環(huán)增益 。閉環(huán)電路的增益可以簡(jiǎn)單地用輸入 -輸出電阻的比值 來求得 , 求得的是開環(huán)增益 , 理想運(yùn)放的開環(huán)增益應(yīng)為無 窮大 。實(shí)際的運(yùn)放開環(huán)增益是有限的 , 并且具有頻率特性 , 實(shí)際的增益并不等于設(shè)計(jì)值

2、, 增益的大小與信號(hào)的頻率有 關(guān) 。運(yùn)放的開環(huán)增益在產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表 (說明書 中都有規(guī) 定 , 一般都給出了標(biāo)準(zhǔn)值和最小值 。 表 1是開環(huán)增益的參 數(shù)特性舉例 , 增益單位是 dB , 但有些場(chǎng)合也有用倍數(shù)的 。二 、 增益帶寬積開環(huán)增益具有頻率特性 , 在 100Hz 以下接近直流的頻 率范圍內(nèi)最大 , 以特定的拐點(diǎn)頻率開始 , 開環(huán) 增 益 以 -6dB/oct的 斜 率 衰 減 , 最 后 在 某 一 個(gè) 頻 率 時(shí) 衰 減 至 1倍 (OdB 。 把增益為 1倍為頻率稱為單位增益頻率 。另外 , 把 開 環(huán) 增 益 G 和 頻 帶 B 的 積 稱 為 增 益 帶 寬 積 (GB 積 ,

3、 為了方便 , 一般把 G =1的頻帶 (Bw 規(guī)定為增 益帶寬積 。 由于是增益和帶寬的乘積 , 所以例如增益帶寬 積是 10MHz 的話 , 在 1MHz 時(shí)增益為 10倍 , 在 100kHz 時(shí)增 益是 100倍 , 在 10kHz 時(shí)增益是 1000倍 , 可以這樣簡(jiǎn)單地 計(jì)算增益與頻率的關(guān)系 。 圖 2是運(yùn)算放大器開環(huán) (增益帶 寬積 特性曲線的例子 。產(chǎn)品說明書中提供的增益帶寬積都是標(biāo)準(zhǔn)值 , 一般 不提供最小值 。 因此選擇運(yùn)放時(shí) , 必須根據(jù)信號(hào)的帶寬選 擇增益帶寬積有一定富裕量的運(yùn)算放大器 。三 、 相位特性如圖 2所示的開環(huán)增益特性曲線那樣 , 運(yùn)放的傳輸特 性存在增益特

4、性和相位特性 。 當(dāng)相位移為 180°時(shí) , 運(yùn)放 就會(huì)進(jìn)入振蕩狀態(tài) 。 把 G =1(OdB 的頻率的實(shí)際相位角 (A ° 和 180°的差值稱為相位余量 。 相位余量最小也應(yīng)為45°, 60°是最理想的情況 , 相位余量直接影響到電路的 穩(wěn)定性 (相對(duì)于振蕩的富裕量 。對(duì)于運(yùn)算放大器來說 , 為了實(shí)現(xiàn)寬帶特性 、 高速特 性 、 高增益帶寬積 , 除了在運(yùn)放內(nèi)部電路中采取各種措 施 , 在運(yùn)放的外部電路中還要接入相位補(bǔ)償電路 , 為了 工作穩(wěn)定還對(duì)增益做出了一些規(guī)定 。 另外 , 由于電容性 負(fù)載會(huì)引起相位特性變化 , 所以對(duì)負(fù)載的容量大小

5、也做 出了具體的規(guī)定 。四 、 有限的開環(huán)增益對(duì)電路閉環(huán)增益的影響集成運(yùn)算放大器的特性 及其在音頻放大器中的應(yīng)用 (二 開環(huán)增益特性和增益帶寬積 張 達(dá)圖 1運(yùn)算放大器的等效電路762010年 第 12 期 圖 2開環(huán)增益特性舉例眾所周知 , 用運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)最簡(jiǎn)單的放大電 路時(shí) , 只需外加一只輸入電阻 Ri 和一只負(fù)反饋電阻 Ro 即 可構(gòu)成 。 此時(shí)的電路增益 , 反相放大器的 G =-(Ro/Ri, 同相放大器的 G =1+(Ro/Ri, 這 2個(gè)公式都是以運(yùn)放的開 環(huán)增益 Av 是無窮大或非常大為前提條件 。對(duì)于增益不到 10倍的低增益放大器來說 , 開環(huán)增益 的大小對(duì)電路的增益

6、沒有什么影響 , 但是對(duì)于增益超過100倍的高增益放大電路來說 , 開環(huán)增益的大小對(duì)電路的 實(shí)際增益會(huì)產(chǎn)生影響 , 無法獲得用計(jì)算公式求得的增益 值 。 在這里采用的增益的單位不是 dB , 是整倍數(shù) 。 dB 與 整倍數(shù)只見的變換公式為 :整倍數(shù) =10(A/20式中的 A 是以 dB 為 單位的增益值 。例 如 , 把 40dB 變 換 成 增 益 倍 數(shù) 時(shí) ,10(40/20=100倍 ; 如果增 益 為 90dB , 10(90/20=31623倍 。圖 3是一個(gè)用運(yùn)算 放 大 器 和 兩 個(gè) 電 阻 組 成 的 簡(jiǎn) 單 的 反 相 放 大 器 , 通 常 在 計(jì) 算 該 電 路的增

7、益時(shí)都采用 G =-Ro/Ri的 計(jì) 算 公 式 。 但 是 當(dāng) 考 慮 到 運(yùn) 放 的 開 環(huán) 增 益 Av 并 不 是 無 窮 大 , 會(huì) 對(duì) 閉 環(huán) 增 益 造 成 影 響 , 此 時(shí) 準(zhǔn) 確 的電 路 增益 GR 可 以 用 下 式計(jì)算 :Gr =G/(1+1+G =-Ro/Ri當(dāng) Av = 時(shí) , Gr =G =-Ro/Ri, 與常用的公式一樣 。 例 如 , 當(dāng) G =1000, Av =10000時(shí) , Gr =1000/(1+1001/10000 909由此可知相對(duì)于設(shè)計(jì)的電路增益 G , 實(shí)際增益約降低 了 10%。圖 4是一個(gè)最簡(jiǎn)單的同相放大器 。 當(dāng)考慮到開環(huán)增益 不為無

8、窮大對(duì)電路閉環(huán)增益的影響時(shí) , 準(zhǔn)確的閉環(huán)增益 Gr 可以用下式表示 :Gr =G/(1+G =(1+Ro/Ri/1+(1+Ro/Ri /Av圖 3反相放大電路 圖 4同相放大電路技 術(shù) 縱 橫當(dāng) Av = 時(shí) , Gr =G =1+Ro/Ri, 與 通 常 的 計(jì) 算 一 樣 。 例 如 , 當(dāng) G =200倍 , Av =10000倍 (80dB 時(shí) , Gr = 200=196.1倍 。實(shí)際 電 路 的 增 益 只 有 196.1倍 , 比 設(shè) 計(jì) 值 200倍 約 小 2%。 2%的 誤 差 不 算 大 , 也許還不及電阻引起的誤差 。 但是 必須注意 , 運(yùn)放的開環(huán)增益具有圖 2所

9、示的頻率特性 , 在 1kHz 時(shí) G 可 達(dá) 80dB , 但是當(dāng)頻率增高時(shí)會(huì)變小 。 例如在圖 2的 特 性 中 10kHz 的 G 只 有 60dB (1000倍 。 如果在 10kHz 時(shí)仍將電路的增益設(shè) 計(jì)為 200倍 , 此時(shí)電路的實(shí)際增益只有 166.7倍 , 誤差達(dá)到 16.7%。 如果信號(hào)的 頻率的更高的話 , 增益的誤差會(huì)更大 。五 、 增益頻率特性的考察由上面的介紹可知 , 運(yùn)算放大器的 開環(huán)增益不為無窮大 , 其頻率特性對(duì)電 路的增益會(huì)產(chǎn)生影響 , 并可以直接利用 開環(huán)增益曲線獲得該放大電路的增益 。 圖 5示出了利用運(yùn)算放大器的開還特性 曲線求出一定增益放大器的頻率特

10、性的 方法 。例如對(duì)于緩沖放大器 (G =1 來說 , 頻 率 特 性 的 平 坦 部 分 一 直 可 以 延 伸 到 Av =1的 單 位 增 益 頻 率 (在 圖 5中 約 為 20MHz 。對(duì)于增益 40dB 的放大電路 , 開環(huán)增益曲線為 40dB 處 所對(duì)應(yīng)的頻率約為 200kHz , 所以 40dB 增益的放大電路的 頻率特性的平坦部分可達(dá)到 200kHz 。 這是運(yùn)算放大器的 基本特性 , 是不能以電路外部進(jìn)行控制的 。 由于實(shí)際放大 電路的頻率特性和增益都與所用運(yùn)放的特性有關(guān) , 所以在 設(shè)計(jì)放大電路時(shí)應(yīng)選用特性有足夠富裕量的運(yùn)放 。六 、 動(dòng)態(tài)特性前面提到的是與放大電路頻率特性有關(guān)的特性 。 在 了解運(yùn)放的特性時(shí) , 除了頻率特性還必須了解與信號(hào)振 幅電平有關(guān)的特性 。 在處理振幅電平較大的信號(hào)時(shí)必須關(guān) 注運(yùn)放的大振幅信號(hào)帶寬 、 轉(zhuǎn)換速度和穩(wěn)定時(shí)間等幾項(xiàng)參 數(shù) 。在音頻應(yīng)用時(shí) , THD +N 是一項(xiàng)很重要的特性 , 根據(jù) 運(yùn)算放大器型號(hào)的不同 , 有的對(duì) THD +N 特性做了 規(guī) 定 , 有的則沒有 。 當(dāng)說明書中提供了 THD +N 特性時(shí) , 必須確 認(rèn)該項(xiàng)參數(shù)的具體測(cè)試條件 。 測(cè)試條件包括增益設(shè)定 、 信 號(hào)電平和信號(hào)頻率等幾方面 。 由于在說明書給出的 THD + N 數(shù)值是在理想狀態(tài)下得到的 , 所以實(shí)際值比廠家提供的 數(shù)值稍差一些