运放的原理、应用、参数和命名规则_增益带宽积(gbp)和压摆率(sr)

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前言

最近需要把10MHz的信号放大到±4.5V，不要求功率，只要求电压幅值满足要求。目前我用三极管功放电路搭建满足了要求，但功率达到了22dBm,虽然这个功率是满足后级芯片的输入要求的，但我还是怕烧坏它（太贵了，买不起芯片）。所以我在想用运放搭一个放大电路，应该会满足我的需求。虽然对于运放我是比较了解的，但对于这个频率，这个输出电压，还需要输出的信号精度比较高，所以整体的要求还是比较高的，我还得研究研究，我把之前我理解的，和我近期了解的分享一下。

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一、运放是什么？

1.内部原理

运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。它虽然是一个电路单元，但其实内部是可以划分开的。内含多级放大电路，一般包含输入级、中间级、输出级。这些都可以通过三极管或者MOS管搭建完成，但分立元件做不到集成元件性能那么好。运放中需要很多NPN，PNP配对管，虽然分立元件也可以买到配对型号的管子，但毕竟不是一起生产出来的，参数还是有区别的。但是集成芯片一起生产，可以很轻松的做到参数配对。此外集成芯片可以更好的让内部模块实现温补，让整个电路温漂更小。
这里截取部分运放的内部结构图，如图1所示。

图1 运放内部结构图

红色、绿色和蓝色分别对应运放的输入级，中间级和输出级。输入级是差动放大电路，具有很强的零点漂移抑制能力。中间级采用共射级放大电路，这里采用达林顿管，有更强的驱动能力，更大的放大倍数。输出级采用射极跟随器，降低输出阻抗，同时有电流放大的作用。通过运放的输入级，我们就能知道运放的工作原理，它会将同相输入信号和反相输入信号的差值放大后输出，输出信号和同相端的输入信号同相，输出信号和反相端的输入信号反相。

2.运放模型

上面简略的说了一下运放的内部结构，但我们实际使用是看不到内部那些电路设计的，我们一般使用的运放都是五个接口：同相输入、反相输入、正负电源输入、输出。如图2所示。

图2 运放端口

IN+为同相输入端，IN-为反相输入端，运放会将Uid = IN+－IN-的差值放大后输出。这个放大倍数现在可以做到很高，如100000倍。图3为运放的传输特性图，横坐标是运放的两个输入端的差值，纵坐标是输出。输出信号的电压不可能无限制的高，它的电压是由运放的电源提供，所以输出最大就是运放的电源。（但实际上很多运放的输出信号连电源的电压都达不到，轨至轨运放是一种输出可以很接近电源电压的运放芯片）

图3 运放的传输特性

图4 运放原理图

3.黄金法则——虚短和虚断

运放有两大黄金法则是我们必须知道的——虚短和虚断。这两大法则只适用于深度负反馈区，可看图3传输特性和图4的运放原理。那么它是怎么产生的呢？我们由运放的传输特性知道运放的输出OUT是有限的，运放的放大倍数可以做到很大。那么得出的值就会很小很小。那么我们可以认为它几乎为0，也就是Uid = IN+－IN-=0，所以 IN+ = IN-，此法则为虚短法则，相当于同相和反相输入端短路。

运放的输入阻抗特别大，可以达到MΩ级别，所以流入的电流特别小，可以看作断路，没有电流流入运放，即i+ = i- = 0。这两大法则很重要的，对于前期理解运放的工作和搭建电路很有帮助，当你运用到后期，需要高精度的放大时，就需要考虑这两大法则的理想和实际的区别，我后边会说到。

二、理想运放

1.理想参数

我们现在简单理解了运放的工作原理以及它的特性。我们在书本上使用的时候会使用理想模型，很多参数都会理想化，那么运放的理想化参数是什么样子的呢？
（1）输入阻抗无穷大。
（2）输出阻抗几乎为0。
（3）同相端和反相端相等。
（4）同相端和反相端没有电流流经，且它们的电流值相等为0。
（5）共模抑制比无穷大。（理想运放只放大两个信号的差值，相同部分不放大）
（6）带宽接近于无穷。
（7）内部没有噪声干扰。
（8）温漂为0.
（9）开环差模电压放大倍数为无穷。
（10）信号输入范围为无穷。
（11）电源抑制比无穷大。
（12）环路不振荡。
这是我现在想到的理想因素，后面想到会补充，那我们想的有多理想，实际使用时候就有多少东西要考虑，介绍实际使用会介绍的。

2.应用

运放的开环增益是很大的，但我们看到所有的运放应用都是有加反馈回路的。我的理解是有这几个原因，首先开环增益的特性曲线是生产时候固定的，后期使用不能人为更改，这就带来了极大的不便利性，一个小信号放大100000倍，运放的电源供不了这么多电。加入负反馈的话，我们后期使用可以人为的控制。其次，开环增益是受温度等外界环境因素影响的参数，引入反馈的话就把开环增益的变化消掉，只和阻值相关。（这边其实也可以推导一下的，想想后边要写的内容，我就偷懒了哦）

2.1同相放大

这个就是同相放大了，我们可以根据虚短和虚断建立方程：，所以放大倍数是，放大倍数一直大于1，同时输出与输入同相。
输入阻抗为运放的阻抗，无穷大。

图5 同相放大

2.2反相放大

虚短：
虚断：
则可以推导出，我们可以看到反相放大的增益可以小于1，且输出和输入反相。
输入阻抗为R1.

图6 反相放大

我们可以看到同相输入和反相输入的差别：同相输入阻抗大，反相输入阻抗小；在实际使用运放做跟随器的话，同相和反相都可以做，我们该怎么选择呢？

实际使用：这两个电路还是有很大的理想化，实际使用还是要考虑其他的。首先没有考虑失调电压，失调电流和偏置电流的存在，实际使用的时候需要对这些参数进行补偿。我们实际经常使用电压跟随器，但同相和反相都可以作为电压跟随器，那我们使用的时候需求不一样，选择也不一样。同相放大的话，见图5，输入阻抗为运放的输入阻抗，接近无穷大，这是优点，但同相放大的缺点：反相输入端是没有接地的，也就是反相输入端的电压不为零，这样就会有较大的共模电压，抗干扰能力较差，我们实际使用的时候就要求运放有较高的共模抑制比。
反相放大的话，输入阻抗是反相输入端串接的电阻阻值，这样相比于同相，输入阻抗会小很多。但是也会有优点，正相输入端接地，这样就只有差模信号，抗干扰能力强。所以我们在实际使用的时候要根据自己的需求来选择合适的电路设计。
如果在输入交流信号面临输入阻抗不够大的情况，可以使用自举电路，提升输入阻抗。通过电容隔直通交的特性，将输出信号自举到输入，这是输出与输入同相，且只差一个固定电压，可以看作在R4产生了一个电流源，电流源的阻抗很大，就会提升输入阻抗。

2.3 差分放大电路

加减法，微分，积分电路这些比较简单，按照虚短和虚断，必要时候用叠加定理，都是可以计算出来的，这里就不做推导了，这里分析一个差动放大电路。虚短：U3的反相输入端电压为Vi1，U2的反相输入端电压为Vi2。虚断：U3的输出端流经R6，R10，R5到U2的电流相等。可得
此外，，，。令R1=R2=R3=R4=R5=R6=R，Vref=0，则可以计算出，这样我们就看到输出只和两个信号的差有关。

图7 差动放大电路

2.4 电压电流变化器

原理还是一样，虚短和虚短，叠加定理。

图8 电压-电流转化器

图9 改进型电压-电流转化器

三、运放参数，以及如何挑选运放

1. 电源抑制比，PSRR

当运放的供电电源发生变化时，运放的输入失调电压会随之变化。PSRR就是用来描述这两者的变化关系，单位为dB，记电源电压变化，输入失调电压变化，则电源抑制比计算为，如果一款运放的电源抑制比为80dB,也就是说变化10mV，变化1μV。在高精度的应用中，尤其要注意这个参数。

2. 增益带宽积，GBP

对于电压反馈运放，增益带宽积为常数。对于电流反馈运放，增益带宽积并没无多大的意义，因为电流反馈运放中增益和带宽不存在线性关系。增益带宽积有个使用前提，必须在一定频率范围内，增益带宽积才是一个常数，所以在选择运放的时候，要注意这个范围。单位增益到底怎么看呢，我们可以结合运放的开环增益曲线，在0dB（即增益为1）时，所对应的频率为单位增益带宽。那假如我们现在有100KHz，10mVp的信号，需要放大10倍到100mVp，我们在选运放应该这么选，，k是我们留出的裕量，我们这个是必须要留出来的，视情况可以少留一些，但是不能不留。

3. 压摆率，SR

若输入信号变化块，则输出跟不上输入的变化速度。SR是表示这种跟踪性能的参数。该值越大越好，但是该值高的运算放大器其他性能较差。理想情况下，我们有一个方波信号，在边沿是很垂直的，但在运放的压摆率不高的情况下，这个边沿就变成了斜坡上升，损坏了原本信号的质量。那30KHz的信号，放大到20Vpp，我们应该怎么选压摆率呢。，最终选用也要留一些裕量。有时候压摆率不够，我们可以搭建外围电路提升信号边沿的陡峭程度，之前在做FPGA产生脉冲的时候，想让上升沿更加陡峭，最终选择了纳秒级窄脉冲电路，就是加一个加速电容。见图10，当输入信号电压Ui从OV跳变到高电平时，由于电容Cl两端的电压不能突变，Uo电压为一个尖顶脉冲，其电压幅值最大。在t0之后，对Cl的充电很快结束，这时输出信号电压Uo会回落一些。当输入信号电压Ui从高电平突然跳变到OV时，如图10 所示的t1时刻，由于Cl上原先充到的电压极性为左正右负，Uo会产生负脉冲。这样就会使信号的边沿变陡峭，可搭配在运放后级使用，具有一定补偿压摆率的作用，还可以搭配三极管使用，加快三极管开关状态的切换（三极管由于电荷存储效应，米勒效应的存在，开关速度不会很快）。

图10 加速电容电路

增益带宽积和压摆率是很重要的两个参数，是使用每个运放都要注意的，熟话说，小信号看带宽，大信号看压摆率，大小是指信号的幅值。

3. 输入失调电压，Vos

我们前面说到，理想运放的正相输入端和反相输入端都接地，输出应该为0，因为都接地时两个输入端没有差值。但实际都接地时，输出是不为0的。我们想要让输出端电压为0，那么我们需要在两个输入端补偿一个电压，这个补偿的电压就是输入失调电压。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在±1~10mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。

4. 输入失调电压的温度漂移，ΔVos/ΔT

输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。需要注意的是，这个参数手册一般给出的范围内的变化均值，但温漂不是线性变化的，在你所测试的环境的温漂可能比数据手册要大很多，挑选时要注意。（我就吃过这个亏，换了几个芯片都是这个现象，最后才知道是这个原因）

5. 输入偏置电流，Ib

理想运放虚断，正相和反相输入端没有电流流经，但是实际，图1运放的前级就是三极管搭建的差动放大电路，三极管是流控型器件，要让它工作在线性区，必须给基极提供偏置电压，基极必须要有电流流经。三极管工艺的运放的偏置电流比较大，我们是必须要考虑的。那对于FET工艺的管子呢，它是电压控制型器件，栅极电流很小，可低至fA级别。但FET管子不耐高压，输入端必须要有ESD保护二极管，二极管是必须有漏电流才能工作的，这个漏电流比栅极电流要大的多。所以不管哪种运放都有偏置电流，我们在设计的时候的要考虑。这两种工艺的运放前级电路见图11.

图11 运放的前级电路

偏置电流对电路影响是很大的，低的偏置电流流过电阻就会产生一定的压降，会使两端输入更加不相等。不过还是可以补偿的，通过串接电阻，使两路都产生相等的压降，这样就可以补偿偏置电流了。

5. 输入失调电流，Ios

所谓失调就是运放的两个输入端电路设计不对称（很难完全对称），导致了失调电压和失调电流的产生，失调电流就是两个输入端偏置电流的差值。

6. 共模输入范围

运放共模输入范围是运放输入电压的一个区间，它表征的是运放能够线性工作的区间，即输入电压共模值在这个区间内，当输入电压发生变化时，输出电压能够线性的发生变化。在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。同时挑选运放的时候也要注意这点。

7. 共模抑制比，CMRR

共模抑制比定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入中的共模干扰信号。由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。前边我们在讲同相和反相放大的时候就有说过同相放大会有共模电压，这个时候就要求运放有很高的共模抑制比。

8. 输出峰-峰值电压，Vout

输出峰-峰值电压定义为，当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前大电源电压供电时，运放能够输出的最大电压幅度。除低压运放外，一般运放的输出输出峰-峰值电压大于±10V。一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的，现代部分低压运放的输出级做了特殊处理，使得在10k负载时，输出峰-峰值电压接近到电源电压的50mV以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）运放。需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载有关，负载不同，输出峰-峰值电压也不同；运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用，输出峰- 峰值电压越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。

9. 输入阻抗，Rin

输入阻抗反映输入对运放性能的影响，选择运放时输入阻抗越大越好。

10. 输出阻抗，Rout

输入阻抗反映运放输出端带负载能力，越小越好。值得注意的是，输出阻抗不是固定不变的。运放阻抗分为开环输出阻抗和闭环输出阻抗。设Ro为开环输出阻抗，Rout为闭环输出阻抗。Ro是运放生产出来就固定好的，一般达到几十欧。但Rout是和你的环路搭建有关，Rout=Ro/（1+Aol×β）。Aol为开环增益，Aol=Vout/Vin.闭环增益（1/β）为Vout/Vfb。环路增益（Aol×β）为Vfb/Vin。开环增益随频率也会变化，可查阅手册，看看在你使用的频率对应的开环增益（一般会标注你使用的负载，电源电压条件下的曲线）到底是多少。然后计算一下你的闭环输出阻抗是多少。这个参数也是很重要的，如果你的下一级输入阻抗不够，这样运放的驱动能力就不强。

我们一般使用运放作为电压跟随器，就是为了增强前一级的驱动能力，还可以起到缓冲隔离的作用。

11. 功耗

运放的功耗也是必须要考虑的，有时需要低功耗运放。

四、TI 运放的命名规律

总结

运放的东西还是很多的，大家想详细了解的话，推荐大家看唐老师讲电赛的B站UP主。好了就这些，如果大家看的有什么问题，欢迎提出。觉得不错的可以点个赞哦，你的鼓励就是我更新的最大动力。