The Four Basic Building Blocks of an Op Amp - 电子技术设计 ....PDFVIP

与非网 Intersil 模拟与电源社区 运算放大器四个基本构件 作者：TAMARA SCHMITZ Intersil 高级首席应用工程师 运算放大器是模拟系统的主要构件。它们可以提供增益、缓冲、滤波、混频和多种运算功能。在 系统结构图中，运算放大器用三角形表示，有五个接点：正极电源、负极电源、正极输入、负极 输入和输出，如图1 （所有图片均在本文章最后）所示。电源脚用来为器件加电。它们可以连接 +/- 5V 电源，或在特殊考虑的情况下，连接+10V 电源并接地。输入与输出之间的关系直截了当： Vout = A (Vin+ - Vin-) 即输出电压等于放大器增益(A) 乘以输入电压之差。 许多工程师根本不需要知道这个神秘的三角形内部情况。您是否想了解其中的原理? 它是由四个 基本部分组成的：偏置、2:1、增益和缓冲电路，如图2 所示。这四级电路在有些运算放大器中可 以组合在一起，但四种功能是最基本的。 偏置电路 偏置电路为其他三部分电路提供所需电压和电流。深入了解会发现，这部分电路很像能带隙和电 流镜。能带隙是提供恒定电压的小电路。尽管看上去可能很简单，但电压必须保持恒定，即使电 源电压发生变化，或温度发生变化的情况下。这种影响要比想象大得多，因此必须有计划地消 除。 电流镜拾取给定电流并将其复制给其他电路。利用不同尺寸的晶体管或并联多个电流镜，也可以 获得大小合适的电流。这种强大的技术可供运算放大器设计师调整每级电路的电流量。偏置电路 耗用的电流一般只占总电流的很小一部分，而缓冲电路根据需要耗用大量电流驱动输出负载。 2:1 电路 假如运算放大器有两路输入和一路输出，其内部某个位置肯定有一个2:1 电路。这个电路可以紧 靠输入，也可以位于信号通道之后。执行这种动作最简单的电路称作差分对。差分对是两支连接 共用电流源的晶体管，如图3 所示。这个电路的工作原理很像秋千。秋千的两边可以调整平衡。 如果我坐在一边，您坐在另一边，我上升，您就会下降。如果我这边下降，您那边就会上升。如 果我们将秋千每边的高度理解为差分对每边流过的电流量，就明白它的工作原理了! 通过这种方 式，非反相输入端控制电路的一边，反相输入端控制电路的另一边。哪边输入电压高，哪边电流 大。 我们来看两边电压相等的情况。还以秋千为例。如果您和我在秋千两边施加同样的压力(重量)， 谁的那一边会升高? 都不会升高! 两边高度相等。我们同时加大压力会怎样? 如果我们施加同样的 压力，秋千仍保持平衡。只有当我们其中的一个人施加的压力大于另一人时，秋千才会动。这种 现象也可以解释为，秋千只在出现压差时才会做出响应。这正是差分对输入(及运算放大器输入) 与非网 Intersil 模拟与电源社区 1 与非网 Intersil 模拟与电源社区 的工作原理。 实现2:1 功能比预期简单。图3 所示差分电路有两路输入和两路输出。2:1 电路只有一路输出。好 啦，我们忽略其中一路输出。这看起来有点笨，但许多情况下都是这么做的。如果想取一半合计 电流，且不需要这部分电流的话。您可以在不使用的一边增加额外的晶体管。这完全取决于想优 化什么。例如，您要优化空间或简易性，则没有必要增加电路。 这部分电路的重要参数是偏移电压。我们还以秋千为例，如果我在自己这边装一个舒适的座椅， 情况会怎样?，为保持秋千平衡，您必须增加自己那边(无座椅一边) 的压力/重量。晶体管也会发 生同样的情况。如果组成差分对的两支晶体管尺寸或形状不完全一样，会出现偏移。设计师最好 搭建完全一样的晶体管，但这受到可用空间，甚至制作集成电路所用设备的结构限制。 增益电路 增益指输出大于输入。以基础金融学原理来类比，投资增益可以获得更多的钱，削减投资会损失 钱。由于运算放大器的主要作用是提供增益，因此这是器件中最核心的部分。理想运算放大器的 增益无穷大。这意味着，输入电压很小的偏差会造成输出陡升或陡降。好在电源可以限制输出的 变化范围，因此正极或负极方向的输出不会达到几千或几百万伏。最简单的增益功能可由一支晶 体管来实现。既然一支晶体管可以提供增益，为什么还要集中大量晶体管搭建运算放大器呢? 一 支晶体管有一路输入和一路输出。运算放大器需要两路平衡输入和大于单支晶体管能够提供的增 益。 由于这个部分电路增益量最大，因此也应包含补偿电路。运算放大器中的补偿意味着建立稳