如何正确使用运算放大器

　　摘要：运算放大器是模拟电路中最主要的元件;运放有很多参数，使用很灵活，而且涉及到模拟电路的许多概念，本文概括了运放的一些基本概念和电路技术。

　　关键词：运算放大器;线性;稳定性;动态范围;噪声

　　戴维宁变换

　　电路理论是运放的基础，所以首先提及戴维宁变换：任何一个两端点的电路都可以用一个电压源和一个串联电阻来代替，我们用图1来解释这个变换。左边是原先的电路，右边是变换后的电路。变换后的电压源等于原先的路端电压1.67 V，而变换后的串联电阻等于原先电路的两个电压源短路后，从A、B端看进去的电阻值0.67 kΩ。有了它，复杂电路的分析便迎刃而解。当然，使用戴维宁变换的前提是“电路必须线性”。幸好，我们遇到的电路大都是“线性”的，或者可以被看作“线性”的，或者在某个区间内可以看作是“线性”的。比如，电阻和电容是线性的(“欧姆定律”的本质就是线性);电感通常可以看作是线性的;晶体管，无论是双极的还是 MOS 的，都是非线性的;但如果设计得好，可以保证在某个区间内是线性的;而运放能使这个区间得以扩展。

　　运放的结构和性能是千变万化的，但运放又是简单的，它的简单在于它有极高的放大倍数，比如几万倍甚至更高;这当然是指低频区的情况，比如几百或几千赫兹。显然，如此高的放大倍数只有通过负反馈才可使用。有了负反馈，运放电路(包括运放及其外部元件)的特性就与运放无关，而只取决于外部元件，因而才可以对信号作加减、积分、微分等运算。这里的奥妙是，运放有极高的增益，而外电路是线性和稳定的。

　　运放电路的分析

　　那么如何来分析一个运放电路呢?这里先讲低频下如何分析，之后再说明高频时的一些问题。

　　所谓“低频”是指在这些频率下，运放输出端上信号的相位与输入端基本一致，所以反馈到输入端的信号就与输入信号反相(运放的反馈总是连接到反相端的)，运放电路就一定稳定。在分析运放电路的技巧是：两个输入端总是等电位的，所以在分析时就可以在两个输入端之间随意转移。例如，我们来计算图2中电路的增益;图中的VREF是直流输入，用来设定输出偏压。首先，由于运放输入端的阻抗非常高，所以运放同相输入端的电压VIN+=VINR2/(R1+R2)。由于运放两个输入端的电位总是相等，所以反相输入端的电压VIN-=VIN+=VINR2/(R1+R2)。由此，流过RG的电流等于IGF=(VREF-VIN-)/RG=(VREF-VINR2/(R1+R2))/RG。由于反相输入端的阻抗非常高，所以IGF将全部流过RF，这样，输出电压VOUT=VIN--IGFRF=VINR2/(R1+R2)-(VREF-VINR2/(R1+R2))RF/RG。由于增益与VREF无关，所以电路增益m=VOUT/VIN=[R2/(R1+R2)]×(1+RF/RG)。

　　如果把运放电路的放大倍数设计得太低(比如1倍以下)，这就把运放输出信号几乎全部地反馈到了输入端。当输入信号穿过运放内部时，存在于许多节点上的电容会使信号产生相位滞后;在高频下，这个相位滞后可以大到超过180°(一个极点最终产生90°的相移)，加上负反馈的180°，就使反馈信号与输入信号同相。结果是，低频时的负反馈在高频下变成了正反馈，运放电路就不稳定。奈奎斯特判据说的就是这个意思。从振荡器的角度看，这就是所谓的“振幅平衡”和“相位平衡”，或叫Barkhausen准则。

　　如果设计的电路不稳定，我们可以做的是对电路进行一些补偿。这包括幅度补偿和相位补偿，而补偿的目的是改变反馈信号的幅度或相位。只要反馈的幅度小于输入信号或相位不等于180º，振荡就不会发生。严格一些说，这个幅度和相位是指环路增益的幅度和相位，而环路增益等于运放增益(A)与反馈系数(β)之乘积。我们有时把一个电容接入不稳定的电路，电路就变得稳定了，其原因是电容降低了高频增益，使相移积累到180º时，增益早就小于1了。不过，这通常在运放性能非常富裕时才这样做。

　　回过来说，任何一个电路的稳定性是与输入信号无关的;上面所说的引起振荡的输入信号不是指电路的输入信号，而是指电路中的一些杂散信号，比如噪声。我们不要把运放电路的增益设计得太低(使用很深的负反馈)，至少不要低于产品说明书中的规定值。作为一个设计要点，运放电路的增益越低，电路就越不稳定，这也许跟我们有些人的想法正好相反。如果你想较好地发挥运放的能力，就应该了解一些反馈系统的基本原理[1]。