[分享]交流我對運放的理解

ID:40652 · 發表于 2013-3-8 21:36

對于運放的一點理解-1
我沒有上過大學，所掌握的知識都是通過自學得到的。高深而抽象的電子學是比較難以理解、難以掌握的，它不僅需要高深的理論基礎而且需要豐富的實踐經驗。我的水平是非常有限的，錯誤在所難免。請大家批評，請大家指教。
作為應用者來說我們應側重于集成電路的外特性的掌握。希望我們大家共同學習、共同進步。
黑箱（或黑匣）之理論我想大家都了解，如果把運放看作是黑匣的話，那么它是一個具有五個端子的器件（做為理論探討的模型），這五個端子是（我想大家都很熟悉了）：正電源端、接地端（或負電源端）、同相輸入端、反向輸入端及信號輸出端。
集成運放的主要技術指標
指標是是一種依據、是一種標準。指標說明了某個產品的基本性能，也定義了產品的屬性，因此指標是很重要的概念。
運放的主要指標：
1．開環電壓增益
它是指不加負反饋時運放的直流放大倍數開環直流增益）。一般來說，此項指標都很大以致于將其視為無窮大，其目的是為了便于理論分析。
2．輸入失調電壓
當輸入信號等于零時，運放輸出端的電壓稱為輸出失調電壓。該電壓的大小決定了運放的質量。需要注意該項指標的溫度漂移，即隨溫度的變化而導致的增量。溫漂越小，質量越好。
3．差模輸入阻抗及共模輸入阻抗
差模輸入時運放所呈現的輸入阻抗（在一定的差模輸入電壓幅度范圍內）稱為差模輸入阻抗。
共模輸入時運放所呈現的輸入阻抗（在一定的共模輸入電壓幅度范圍內），稱為共模輸入阻抗。
之所以強調輸入阻抗（而不用輸入電阻），是由于實際中端子的阻抗性質都是復阻抗，即阻抗中包含有電抗分量（感抗或容抗），因此都是信號頻率的變量。輸入電阻（或輸出電阻）是一種特殊情況。
之所以強調輸入電壓范圍，是因為當輸入信號的幅度超出一定的范圍以后，器件將進入非線性區域，這時候輸入阻抗的性質也變成非線性的了，那種“定常”的觀點就不適用了。
不僅如此，器件進入非線性區以后，器件的許多指標也成為“非定常”的了。
我自己對差模輸入電壓的理解是，相對于一塊面積比較大的接地導體來說，可以將其視為一個理想的地導體。我對理想的地導體的理解是，導體各處的電勢均為零，導體各處的電流均為零。一般我們只關心導體的表面，即導體表面具有上述的性質時就是理想的導體了。當然上述理想的導體平面是不存在的，它是一種理論上的模型，是一種參照。其實我們還可以這樣想，即從場的角度上去理解地導體。上述理想接地導體平面就其周圍的場的狀態來說必然也是為零的。各處電勢為零，和外界沒有電場的聯系；各處的電流為零，和外界沒有磁場的聯系。因此包圍該接地導體的空間是一個無電磁能量的空間。我們也可以用等效的觀點看，地導體表面各處的電勢不為零，表面各處的電流亦不為零，但是包圍其空間的電磁場能為零（就是說地導體周圍沒有電場、磁場）這說明外界的電場、磁場作用于地導體，地導體也反作用于外界的電磁場能（符合牛頓作用力與反作用力定律）結果是在導體的表面激發出電勢及電流，它們所激發的電場及磁場與外界的電場、磁場相互作用互為抵消，使宏觀上地導體周圍的電磁場為零。當然這種情況下地導體就不能算作是理想的了。理想的地導體電導率無窮大（電阻無窮小），在任何外界電磁場能量作用下都不會激發電勢及電流。
之所以要強調“地導體”是因為在實際問題分析、處理中它是非常重要的。
差模輸入信號是對地不平衡的輸入信號。它的基本特點是，IN-端及IN+端都獲得二分之一的輸信號入電壓，但是它們的相位相反。當然這是對“地”而言的。
順便說一下共模輸入信號，對地平衡的輸入信號就稱為共模輸入信號。即IN-端和IN+端的輸入電壓相等且相位相同。
對于高輸入阻抗的運放來說，如果共模輸入電壓幅度超出一定的范圍，其是不能夠正常工作的。之所以強調該點，是因為對于初學者來說往往忽略了這點。運放在實際的工作環境中總是存在比較強的電磁場干擾的，對于高輸入阻抗的輸入端子來說，是非常容易感應外界的干擾電壓的，而這種干擾電壓一般都是以共模信號的形式存在的。雖然說運放一般具有很高的共模抑制比（CMRR），但是那是在一定的共模輸入電壓幅度范圍內說的，超出了該范圍運放的高共模抑制比的特性就不復存在了，以致于器件不能正常工作。降低端子的輸入阻抗可以有效的減小電場干擾。
4．開環輸出阻抗及閉環輸出阻抗
輸出電壓與輸出電流的關系，稱為輸出阻抗（輸出電流與輸出電壓的關系，稱為輸出導納）。運放在實際應用中總是加有電壓負反饋，因此閉環輸出阻抗比開環輸出阻抗要小的多（在一定的頻率范圍內和一定的負載阻抗時）。
5．正弦及脈沖響應
對于某種實際的器件來說其個性是確定的。對于實際的運放器件來說其特性也是一定的。把運放接成電壓跟隨器的形式（單位增益），如圖所示。

在這里把電路接成了單電源的形式，因此要求正弦激勵源為理想的單位脈動正弦源（輸出電壓的幅度為1，且始終大于或等于零），脈沖激勵源為理想的單極性單位脈沖源（脈沖幅度為1，上沿時間或下沿時間為零），負載電阻為額定值。
我們首先考慮正弦激勵時的情況。如上圖所示輸出電壓與輸入電壓應該為等幅同相的關系（在低頻的時候的確如此），但是該關系是隨著信號的頻率的升高而變化的。隨著信號頻率的升高不僅輸出信號的幅度隨之下降，而且失真將隨之增大，這些都表明了器件的固有屬性。如果隨著信號頻率的升高輸出電壓僅是幅度的減小以及相位移的變化，那么說明這種失真是線性失真。如果隨著信號頻率升高輸出信號發生了波形上的畸變，那么就說明輸出信號發生了非線性失真。顯然，運放的線性失真和非線性失真是并存的。
在考慮一下器件的脈沖響應。在上述理想脈沖的激勵下，輸出信號（響應信號）將會有一定的畸變。輸出信號將會發生延遲時間、上沿時間（或上升時間）、下沿時間（或下降時間）及過沖等，所有這些畸變稱為脈沖響應或過渡過程，器件的脈沖響應（過渡過程）反映了器件固有的性質。
器件的脈沖響應與正弦響應是分別是從時域和頻域兩個角度對器件的測試，目的是為了掌握器件的固有特性。時域與頻域在一定條件下可以相互轉換（如傅里葉變換），說明它們是矛盾的統一體，是對一個問題的兩種理解，然而本質上時域與頻域是統一的。

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