運(yùn)算放大器基本電路的測試_2

1、第2章 運(yùn)算放大器基本電路的測試1目標(biāo)1引言12.1 運(yùn)算放大器芯片22.2 同相放大器電路42.3 電壓跟隨器電路82.4 反相放大器電路102.5 放大器電路的輸入/輸出電阻匹配122.6 小結(jié)1311第2章 運(yùn)算放大器基本電路的測試目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握以下知識 運(yùn)算放大器芯片的分類 運(yùn)算放大器電路的雙電源供電方式或者單電源供電方式 反饋電阻RF和增益電阻RG的取值對電路工作的影響 運(yùn)算放大器電路的電壓增益對電路工作的影響 運(yùn)算放大器芯片的輸入失調(diào)電壓和偏置電流 運(yùn)算放大器芯片的最大輸出信號的擺動范圍 運(yùn)算放大器芯片的增益帶寬積和單位增益帶寬 運(yùn)算放大器芯片的壓擺率 輸入和輸出電阻的

2、匹配引言運(yùn)算放大器相關(guān)知識的學(xué)習(xí)應(yīng)該由相應(yīng)的電路實(shí)驗(yàn)來證實(shí)，因?yàn)閷?shí)際工作過程中不可避免地會出現(xiàn)一些問題，分析出現(xiàn)這些問題的原因、找出解決的辦法將迫使我們?nèi)妗⑸钊氲厮伎?，這樣就能夠更加深入地理解工作原理。將理論和實(shí)踐相結(jié)合是一種非常好的學(xué)習(xí)方法，這種方法需要在具體的過程中，通過體驗(yàn)、探索才能逐漸掌握。推薦準(zhǔn)備一塊面包板，利用它來組裝將要研究的電路，并完成電路的調(diào)試。詳細(xì)地記錄調(diào)試過程中的測量條件、測量數(shù)據(jù)以及出現(xiàn)的各種問題，嘗試?yán)秒娐防碚搧斫忉屵@些數(shù)據(jù)，并探討改善電路技術(shù)指標(biāo)的各種措施。測試數(shù)據(jù)的分析是很重要的，電路的一些技術(shù)指標(biāo)之間經(jīng)常會存在沖突，如何平衡這些沖突，調(diào)試電路達(dá)到一個(gè)什么樣的

3、技術(shù)指標(biāo)就可以收手，這些就是工作經(jīng)驗(yàn)。如果能夠在工作中掌握一種學(xué)習(xí)的方法，這樣將能使我們更加適應(yīng)將來要面臨的各種工作。實(shí)際使用的運(yùn)算放大器芯片與理想的運(yùn)算放大器之間肯定存在一些差異，但是使用理想運(yùn)算放大器的等效電路能夠簡化電路的分析過程。盡管理想模型是一種概念化，但決不是脫離實(shí)際工作的。當(dāng)電路的測量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)值存在差異的時(shí)候，運(yùn)算放大器芯片的數(shù)據(jù)手冊能夠幫助我們解釋出現(xiàn)這些差異的原因。仔細(xì)閱讀運(yùn)算放大器芯片的數(shù)據(jù)手冊是很重要的，通過芯片技術(shù)參數(shù)能夠預(yù)估電路的性能指標(biāo)，這將為選擇合適的芯片提供依據(jù)。本章設(shè)想讀者接觸過運(yùn)算放大器芯片，并組裝過實(shí)驗(yàn)電路，因此給出了稍深入一點(diǎn)的要求。每個(gè)電路完成

4、一個(gè)方面的探討，不過所獲得的結(jié)論也適應(yīng)其它的電路。2.1 運(yùn)算放大器芯片2.1.1 運(yùn)算放大器芯片的包裝采用集成電路技術(shù)制造的運(yùn)算放大器模塊能夠被做在只有針尖那么大小的半導(dǎo)體材料上，這樣就能夠在一塊芯片中包裝多個(gè)運(yùn)算放大器模塊。當(dāng)前常見的包裝類型為1個(gè)芯片中包含1個(gè)、2個(gè)或者4個(gè)運(yùn)算放大器模塊。對于大多數(shù)型號的器件，這3種運(yùn)算放大器包裝類型中的運(yùn)算放大器模塊與芯片管腳的連接圖如圖2.1所示。圖2.1 運(yùn)算放大器芯片的管腳圖應(yīng)用電路中經(jīng)常需要采用多個(gè)運(yùn)算放大器模塊聯(lián)合起來實(shí)現(xiàn)要求的功能，例如使用多級放大器實(shí)現(xiàn)較大的放大倍數(shù)，這時(shí)采用內(nèi)部包含多個(gè)運(yùn)算放大器模塊的芯片能夠有效地降低電路板的面積。另外

5、包含多個(gè)運(yùn)算放大器模塊的芯片還具有一個(gè)特點(diǎn)，這就是這些模塊的特性非常接近。只包含1個(gè)運(yùn)算放大器模塊的芯片也具有自己的優(yōu)點(diǎn)。例如一些芯片具有輸入失調(diào)電壓調(diào)整管腳，如圖中的管腳1和8（Offset Trim）。理想的運(yùn)算放大器芯片在輸入為0的時(shí)候，輸出應(yīng)該為0，但是理想的芯片是不存在的。芯片制造過程中的任何不理想都會導(dǎo)致電路誤差，這些誤差的一種表現(xiàn)就是當(dāng)電路的輸入電壓為0，但是電路的輸出電壓并不為0。調(diào)整輸入失調(diào)電壓調(diào)整管腳的電位能夠使得當(dāng)運(yùn)算放大器模塊輸入電壓為0時(shí)，它的輸出電壓也為0。包含多個(gè)運(yùn)算放大器模塊的芯片沒有輸入失調(diào)電壓調(diào)整管腳，為獲得同樣的功能，這時(shí)需要添加額外的電路。芯片中包含多個(gè)

6、運(yùn)算放大器模塊的各個(gè)模塊共用同樣的電源，這有時(shí)會引起它們之間的相互干擾。對于包含多個(gè)運(yùn)算放大器模塊的芯片中沒有使用的模塊，推薦將這些沒有使用模塊的輸入管腳接地，這樣可以減少外部干擾的進(jìn)入。像其它集成電路芯片一樣，運(yùn)算放大器芯片的包裝形式也具有多種，常見的包裝形式為雙列直插封裝（Dual In-line Package，DIP）類型和小外形集成電路（Small outline integrated circuit，SOIC）封裝類型。雙列直插封裝（DIP）類型已經(jīng)使用了很長時(shí)間，雖然它的體積大，但是芯片引腳能夠直接插入面包板中，對樣機(jī)開發(fā)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常方便。雙列直插封裝類型存在的缺點(diǎn)之一是引腳產(chǎn)

7、生的雜散干擾大，當(dāng)前一些高性能芯片只有小外形集成電路（SOIC）封裝類型，不過使用這些芯片需要專門制作電路板。2.1.2 工作電壓的選擇按照運(yùn)算放大器工作所使用的電源，芯片可以分為雙電源類型和單電源類型。雙電源類型運(yùn)算放大器芯片使用方便，推薦盡量使用這種類型的器件。對于一些只有單一供電電源的場合，例如一些便攜式設(shè)備，這時(shí)就需要使用單電源類型的運(yùn)算放大器芯片。本章涉及的所有電路都使用雙電源類型的運(yùn)算放大器芯片。后面專門用一章來介紹單電源類型運(yùn)算放大器芯片的使用。為了降低系統(tǒng)的成本和體積，應(yīng)用系統(tǒng)通常只提供很少幾種輸出電壓數(shù)值的電源，例如±12V，或者±5V。運(yùn)算放大器芯片供電

8、電壓的范圍也是有限制的，因此使用的器件需要根據(jù)所處理信號的電壓幅度和電源電壓來選擇。數(shù)據(jù)手冊通常會給出的運(yùn)算放大器芯片工作電壓的選擇范圍，例如±5V±15V。這里的工作電壓上限，±15V，為芯片工作電壓的最大額定值。在實(shí)際工作中，為保證電路工作的可靠性一般都采用低于這個(gè)額定值的電源電壓，例如這時(shí)可以采用輸出電壓為±12V的電源。如果采用輸出電壓為±12V的電源，運(yùn)算放大器的動態(tài)范圍不能滿足所處理信號的幅度要求，這時(shí)就需要選擇具有更大額定值的運(yùn)算放大器芯片來適應(yīng)更高的電源電壓。在運(yùn)算放大器與微控制器共同組成的一個(gè)模擬數(shù)字混合系統(tǒng)的情況下，如果微控

9、制器芯片的供電電源電壓為5V，這時(shí)推薦運(yùn)算放大器芯片采用輸出電壓為±5V的電源。這樣做的好處是既減少了電源輸出電壓的種類，又避免了運(yùn)算放大器可能輸出的高電壓對后級電路所造成的危害。即使沒有上面所述的情況，在滿足所處理信號幅度要求的前提下，也應(yīng)該盡量降低電源電壓，這點(diǎn)尤其對于高頻電路中使用的運(yùn)算放大器芯片更為重要。由于在高頻電路中使用運(yùn)算放大器芯片的工作電流較大，采用大的電源電壓將導(dǎo)致芯片功耗加大，使得芯片溫度上升。2.1.3 運(yùn)算放大器芯片的其它分類方法按照運(yùn)算放大器芯片的用途，芯片可以被劃分為通用型、高精度型、低噪聲型、高速型、低電壓型以及高輸出功率型等類型。通用型運(yùn)算放大器芯片的

10、最大特點(diǎn)是價(jià)格不貴，它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都不特別突出。雖然通用型運(yùn)算放大器芯片的性能不優(yōu)，但也不太差?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，尤其是價(jià)格優(yōu)勢，通用型運(yùn)算放大器芯片獲得最為廣泛的使用。同一型號、同樣封裝類型運(yùn)算放大器芯片還可以由它的使用溫度來劃分，通常分為3類，商業(yè)級、工業(yè)級和軍用級。商業(yè)級芯片，即一般用途，的溫度范圍：070ºC；工業(yè)級芯片的溫度范圍：-2585ºC；軍用級芯片的溫度范圍：-55125ºC。運(yùn)算放大器芯片上標(biāo)注的型號中包含了芯片的使用溫度范圍，通常在芯片型號數(shù)字后面以后綴的形式跟著。注意不同公司的產(chǎn)品型號中標(biāo)注意義存在差異。 通常在電子市場上購買到的芯片大多數(shù)為

11、商業(yè)級芯片，這對于初學(xué)者已經(jīng)足夠了。商業(yè)級以上等級芯片的價(jià)格要貴很多，經(jīng)常還需要一個(gè)較長時(shí)間的交貨期。2.2 同相放大器電路本節(jié)用來進(jìn)行分析和測試的同相放大器電路如圖2.2所示，運(yùn)算放大器芯片采用NE5532。這是一種通用型運(yùn)算放大器芯片，它的內(nèi)部包含2個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器模塊。運(yùn)算放大器模塊與芯片管腳的連接關(guān)系如圖2.1所示。這里只需要使用其中的一個(gè)。圖2.2 同相放大器電路圖圖2.2所示的同相放大器電路采用正、負(fù)兩個(gè)電源供電。供電電路添加了電源濾波電容，每個(gè)電源采用一組，VCC的C1和C2；-VCC的C3和C4。添加濾波電容可以降低信號失真，也可以使得放大器的幅度頻率特性更加平坦，還能夠抑制

12、電路的自激。濾波電容應(yīng)該盡量靠近運(yùn)算放大器芯片的電源輸入管腳處安裝。2.2.1 電路電阻阻值的選擇同相放大器電路的閉環(huán)電壓增益為（2.1）式（2.1）顯示，運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)電壓增益僅由反饋回路電阻的比值RF / RG決定。例如希望設(shè)計(jì)一個(gè)電壓增益為11的放大器，這時(shí)反饋電阻RF和增益電阻RG的比值滿足RF / RG = AV 1 = 11 1 = 10即可。不過式（2.1）只能給出所需要確定的反饋電阻RF與增益電阻RG的比值，由此還不能確定出每個(gè)電阻的具體數(shù)值。反饋電阻RF和增益電阻RG的取值會對電路性能產(chǎn)生多方面的影響，例如反饋電阻RF太大將可能影響放大器的頻帶寬度，反饋電阻RF和增益電

13、阻RG的取值越大，放大器的噪聲性能指標(biāo)越差，但是它們的阻值太小也會導(dǎo)致電路中電流數(shù)值過大，使得運(yùn)算放大器芯片難于驅(qū)動。從運(yùn)算放大器芯片的輸出管腳看出去的電路等效負(fù)載電阻為（2.2）如果不希望反饋電路電流對輸出電壓的影響太大，反饋電阻RF和增益電阻RG的取值就不能太小。當(dāng)然負(fù)載電阻RL的取值也是受到芯片輸出電流的限制。反饋電阻RF和增益電阻RG取值過小將會引起運(yùn)算放大器電路的輸出電壓波形產(chǎn)生失真。產(chǎn)生波形失真的原因是在電流太大的時(shí)候，芯片內(nèi)部晶體管的工作點(diǎn)將會位于非線性特性很嚴(yán)重的地方，甚至進(jìn)入輸出特性的飽和區(qū)域。滿足反饋電阻RF和增益電阻RG的比值為10，即電路電壓增益的計(jì)算值為11，選擇不同

14、電阻數(shù)值組合情況下的實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表2.1表2.3所示。這里電路的電源電壓選擇為±5V，滿足NE5532運(yùn)算放大器芯片工作電壓選擇范圍為±5V±15V的要求；測試信號源輸出正弦信號的頻率選擇為10kHz，輸出正弦信號的峰-峰值選擇為100mV。表2.1 同相放大器的增益特性（RF=100；RG=10）負(fù)載電阻RL（）輸出電壓峰-峰值（mV）測量電壓增益增益絕對誤差增益相對誤差（%）開路8818.81-2.19-19.910輸出電壓波形的頂部產(chǎn)生嚴(yán)重的失真表2.2 同相放大器的增益特性（RF=1k；RG=100）負(fù)載電阻RL（）輸出電壓峰-峰值（mV）測量電壓增益增

15、益絕對誤差增益相對誤差（%）開路103010.3-0.70-6.41009919.91-1.09-9.90107637.63-3.37-30.6表2.3 同相放大器的增益特性（RF=10k；RG=1k）負(fù)載電阻RL（）輸出電壓峰-峰值（mV）測量電壓增益增益絕對誤差增益相對誤差（%）開路106010.6-0.40-3.61000106010.6-0.40-3.6100106010.6-0.40-3.6109109.10-1.90-17.2從上面的測量數(shù)據(jù)可以看出，反饋電阻RF和增益電阻RG的取值大一些，即可以避免輸出信號波形的失真，同時(shí)電路實(shí)際的電壓增益與計(jì)算的電壓增益之間的誤差也小一些。例如

16、負(fù)載電阻RL為無窮大時(shí)，當(dāng)RF=100和RG=10，電壓增益的相對誤差為-19.9%；當(dāng)RF=10k和RG=1k，電壓增益的相對誤差僅為-3.6%。反饋電阻RF和增益電阻RG的取值大一些，負(fù)載電阻RL上獲得的信號幅度也將大一些。例如負(fù)載電阻RL=100時(shí)，當(dāng)RF=10k和RG=100，電壓增益為9.91；當(dāng)RF=10k和RG=1k，電壓增益為10.6。對于不同型號的運(yùn)算放大器芯片，合適的反饋電阻RF和增益電阻RG取值是不相同的。具體的取值可以參考芯片的數(shù)據(jù)手冊給出的參考電路，也可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇。2.2.2 電路增益的選擇放大器電路增益的取值也會影響到電路工作的多個(gè)方面，這里只討論電路增益的

17、取值對電壓增益精度的影響，同時(shí)也考慮決定電壓增益的增益電阻RG和反饋電阻RF的實(shí)際阻值所產(chǎn)生的影響。重寫式（1.56）給出的運(yùn)算放大器電路實(shí)際增益與理想增益之間的關(guān)系式（2.3）這里（2.4）在準(zhǔn)備好運(yùn)算放大器芯片以后，并選定好信號源輸出信號的頻率，這時(shí)可以認(rèn)為芯片開環(huán)增益a的數(shù)值為一個(gè)常量。式（2.4）顯示，反饋系數(shù)越大，增益誤差越小，運(yùn)算放大器電路的實(shí)際電壓增益與理想電壓增益之間的偏差越小。重寫式（1.51）（2.5）式（2.5）顯示，反饋系數(shù)越大，電路的閉環(huán)增益A越小，因此可以得出以下結(jié)論：運(yùn)算放大器電路的閉環(huán)增益越小，它偏離理想值就越小。繼續(xù)使用圖2.2所示的同相放大器電路，測試信號源

18、輸出正弦信號的頻率選擇為10kHz，輸出正弦信號的峰-峰值選擇為100mV。這里需要考慮電路不同電壓增益時(shí)的工作情況。當(dāng)電路的電壓增益較大時(shí)，輸出信號的幅度也大，為保證電路能夠提供足夠的信號擺動范圍，電源電壓選擇為±12V。這個(gè)選擇也滿足NE5532運(yùn)算放大器芯片工作電壓選擇范圍為±5V±15V的要求。降低信號源輸出信號的幅度可以降低電路輸出信號的幅度，減小對電源輸出電壓的要求，但是小幅度信號測量受到噪聲的影響很大，這會嚴(yán)重地影響到測量數(shù)據(jù)的精度，進(jìn)而對電路工作情況的分析產(chǎn)生影響。負(fù)載電阻選擇開路，固定增益電阻RG為1k，通過改變反饋電阻RF的阻值來獲得不同的電壓

19、增益。表2.4給出不同情況下，同相放大器電路的電壓增益理論計(jì)算數(shù)值、實(shí)際測量數(shù)值以及誤差數(shù)值。表2.4 同相放大器的增益特性（RG=1k）反饋電阻RF（）計(jì)算電壓增益輸出電壓（mV）測量電壓增益增益絕對誤差增益相對誤差（%）1k21991.99-0.01-0.503.3k4.34184.18-0.12-2.7910k11107010.7-0.30-2.7233k34335033.5-0.50-1.47100k101984098.4-2.6-2.63表2.4顯示同相放大器電路電壓增益的相對誤差隨著電壓增益數(shù)值變化的情況與理論分析的結(jié)論并不相符，而且變化沒有規(guī)律。導(dǎo)致這種情況的原因是增益電阻RG和

20、反饋電阻RF的阻值是從電阻上的色環(huán)標(biāo)注直接讀取的。電阻的實(shí)際阻值與標(biāo)稱阻值之間存在誤差，即實(shí)際的電阻根據(jù)不同的類型，具有不同的精度。使用三用表逐個(gè)測量增益電阻RG，測量為獲得不同電壓增益所使用的各種反饋電阻RF，測量結(jié)果如表2.5所示。以電阻測量值為基礎(chǔ)，再次計(jì)算電壓增益，并再次計(jì)算不同電壓增益時(shí)的增益誤差。表2.5 同相放大器的增益特性（RG=982）反饋電阻RF（）計(jì)算電壓增益輸出電壓（mV）測量電壓增益增益絕對誤差增益相對誤差（%）9862.001991.99-0.01-0.503.30k4.304184.18-0.12-2.799.89k11.1107010.7-0.40-3.6033

21、.5k35.1335033.5-1.60-4.5699.2k102984098.4-3.60-3.53使用測量電阻獲得的數(shù)據(jù)完成電路電壓增益的計(jì)算，以此為基準(zhǔn)完成各種情況下測量電壓增益誤差計(jì)算?，F(xiàn)在電路電壓增益的相對誤差基本隨著增益的增加而加大。當(dāng)然仍然存在一個(gè)例外，即最后一行，在電壓增益為102時(shí)的相對誤差又出現(xiàn)了減小的趨勢。表2.5顯示，電阻的實(shí)際阻值與它的標(biāo)稱阻值之間確實(shí)存在誤差，其中最大的誤差為增益電阻RG所采用的標(biāo)稱為1k電阻，相對誤差達(dá)到1.8%。常用的電阻器有碳膜電阻和金屬膜電阻。碳膜電阻價(jià)格低，允許誤差在±5%之內(nèi)，溫度系數(shù)范圍為-500-1000ppm/º

22、C。金屬膜電阻的價(jià)格高，允許誤差在±2%之內(nèi)，溫度系數(shù)范圍為±50±200ppm/ºC，另外還具有低噪聲的特點(diǎn)。上面實(shí)驗(yàn)電路中的電阻就是采用金屬膜電阻。電阻器，也包括電容器，的標(biāo)稱數(shù)值采用優(yōu)選值系列。在同一數(shù)量級中有幾個(gè)標(biāo)稱值就稱為E×系列，例如E3、E6、E12、E24、E48、E96等。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室通常按E6系列準(zhǔn)備電阻器。E6系列包括1.0、1.5、2.2、3.3、4.7和6.8這6個(gè)數(shù)值，例如在1k到10k之間，只能提供1.0 k、1.5 k、2.2 k、3.3 k、4.7 k和6.8 k這6種標(biāo)稱值的電阻器。電阻器的使用量很大，如果準(zhǔn)備

23、更多種類標(biāo)稱值的電阻器，這對經(jīng)費(fèi)的占用和庫房的管理工作將帶來很大的壓力。存在高精度的電阻器，最高精度可以達(dá)到±0.1%，不過這需要定制。工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品由于已經(jīng)完成設(shè)計(jì)，可能采用這種高精度的電阻器，因此能夠達(dá)到很好的技術(shù)指標(biāo)的精度。另外不推薦使用可調(diào)電阻和電位器來獲得需要的電阻值，因?yàn)檫@樣可能導(dǎo)致電路的可靠性和穩(wěn)定性等指標(biāo)的下降。2.3 電壓跟隨器電路運(yùn)算放大器芯片內(nèi)部各級電路之間采用直接耦合的連接方式，因此它可以處理頻率非常低的信號，甚至直流信號。這樣的信號可以是一些傳感器的輸出信號，需要使用放大器將這樣的近似直流、幅度非常小的信號進(jìn)行放大，便于后級電路繼續(xù)處理。圖2.3所示的電壓跟

24、隨器電路現(xiàn)在用來處理直流信號，當(dāng)然前面涉及的同相放大器電路也能處理直流信號。這里的運(yùn)算放大器芯片仍然采用NE5532芯片。圖2.3 電壓跟隨器電路圖電壓跟隨器電路所需要的直流信號由電位器W1與電源VCC和VCC組成的分壓電路產(chǎn)生。分壓電路產(chǎn)生的直流信號幅度調(diào)整范圍為VCCVCC。分壓電路輸出端的電容C5用來濾除直流信號中的噪聲干擾。電壓跟隨器電路的電壓增益AV = 1，即輸出電壓理論上應(yīng)與輸入電壓相等。表2.6給出電路輸入/輸出特性的測量數(shù)據(jù)，這里電源輸出電壓選擇為±5V；負(fù)載電阻RL選擇1k。表2.6 電壓跟隨器的輸入/輸出信號特性輸入Vi (V)-4.00-3.00-2.02-1

25、.020.001.022.003.004.00輸出Vo (V)-3.62*-3.05-2.08-1.06-0.091.042.073.033.68*注：出現(xiàn)輸出電壓限幅表2.6的測試數(shù)據(jù)中，由于電位器調(diào)整的原因，部分輸入電壓數(shù)值沒能調(diào)整到一個(gè)整數(shù)。再有，當(dāng)電壓跟隨器的輸入直流電壓為0，電路的輸出電壓并不為0。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因有很多，可以分為運(yùn)算放大器芯片的原因和電路的原因。運(yùn)算放大器芯片的原因可以通過以下芯片的技術(shù)指標(biāo)說明，這些技術(shù)指標(biāo)包括輸入失調(diào)電壓VIO和輸入偏置電流IIB。理想的運(yùn)算放大器芯片在輸入為0的時(shí)候，輸出也為0，但是理想的芯片是不存在的。芯片制造過程中的任何不理想都會導(dǎo)致電路

26、誤差，這些誤差的一種表現(xiàn)就是在芯片的輸入電壓為0，但是它的輸出電壓并不為0。輸入失調(diào)電壓VIO的定義是為使得輸出電壓為0而需要在芯片的輸入端施加的一個(gè)直流補(bǔ)償電壓。芯片的輸入失調(diào)電壓VIO的數(shù)值越大，當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，它的輸出電壓越大。NE5532運(yùn)算放大器芯片的輸入失調(diào)電壓VIO的典型值為0.5mV，最大值為4mV。為了保證晶體管正常工作，電路必須提供一個(gè)合適的直流工作點(diǎn)。同樣，為了正確工作，所有運(yùn)算放大器芯片也需要一定量的偏置電流。輸入偏置電流IIB定義為流入運(yùn)算放大器芯片兩個(gè)輸入端電流的平均值。由于運(yùn)算放大器芯片的兩個(gè)輸入端都存在電流，當(dāng)分別從這兩個(gè)輸入端向芯片外面看的電阻數(shù)值不相同，則

27、輸入偏置電流IIB產(chǎn)生的電壓數(shù)值將不相同，從而在電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)不為0的電壓。圖2.4所示的電壓跟隨器電路從兩個(gè)輸入端向芯片外面看的電阻數(shù)值就是不相同的。為降低輸入偏置電流IIB對輸出產(chǎn)生的影響，可以在反饋回路中串接一個(gè)電阻，該電阻的阻值等于從芯片同相輸入端看出去的等效電阻的阻值。NE5532運(yùn)算放大器芯片偏置電流IIB的典型值為200nA，最大值為800nA。表2.6的測試數(shù)據(jù)還顯示出電壓跟隨器電路的輸入/輸出特性具有非線性特點(diǎn)。這個(gè)輸入/輸出特性的非線性在控制系統(tǒng)中將產(chǎn)生控制誤差，在處理正弦信號時(shí)將導(dǎo)致輸出的正弦信號產(chǎn)生非線性失真。當(dāng)輸入電壓Vi的幅度為4V時(shí)，輸出電壓產(chǎn)生非常大的誤差，

28、這是因?yàn)檩敵鲭妷悍冗_(dá)不到電源電壓的幅度。這種現(xiàn)象稱作為輸出飽和，圖2.5顯示了運(yùn)算放大器芯片輸入差分電壓vD和輸出電壓vo的關(guān)系。圖2.4 運(yùn)算放大器芯片的輸入/輸出特性圖2.4所示的輸入/輸出特性可以被劃分為3種不同的工作區(qū)域。過原點(diǎn)的斜線為運(yùn)算放大器芯片的線性工作區(qū)，它的斜率為芯片的開環(huán)電壓增益a。當(dāng)芯片工作在這個(gè)區(qū)域，它可以等效為一個(gè)電壓控制電壓源avD。隨著輸入電壓vD的增加，芯片內(nèi)部的晶體管將進(jìn)入飽和狀態(tài)，這時(shí)將進(jìn)入“上飽和區(qū)”，輸出電壓達(dá)到VOH以后就保持不變?！跋嘛柡蛥^(qū)”的情況也是類似的。輸出飽和電壓VOH一般低于電源電壓VCC幾個(gè)PN結(jié)的電壓降；而輸出飽和電壓VOL高于電源電

29、壓-VCC幾個(gè)PN結(jié)的電壓降。表2.5的測試數(shù)據(jù)顯示NE5532運(yùn)算放大器芯片在電源電壓選擇±5V時(shí)，飽和電壓VOH和VOL的幅度約為3.6V，即輸出信號的最大幅度與電源電壓之間存在約1.4V的電壓差。這個(gè)電壓差基本不隨電源電壓的改變而變化，因此為了獲得更大的輸出電壓幅度，增加電源電壓是一種方法。如果增加電源電壓受到限制，那么可以采用一種稱作為“軌到軌”（rail-to-rail）類型的運(yùn)算放大器芯片。這里的“軌”指的是電源電壓，“軌到軌”表示輸出電壓的擺動幅度能夠分別接近正和負(fù)的電源電壓。2.4 反相放大器電路本節(jié)用來進(jìn)行分析和測試的反相放大器電路如圖2.6所示，這里的運(yùn)算放大器芯

30、片仍然采用NE5532芯片。電源繼續(xù)采用正、負(fù)兩個(gè)電源供電，工作電壓同樣選擇為±5V。圖2.5 反相放大器電路圖圖2.5所示的反相放大器電路反相放大器電路的閉環(huán)電壓增益為（2.6）式（2.6）顯示，運(yùn)算放大器電路閉環(huán)電壓增益的大小仍然由反饋回路電阻的比值RF / RG決定。例如希望設(shè)計(jì)一個(gè)電壓增益數(shù)值為10的放大器，這時(shí)反饋電阻RF和增益電阻RG的比值滿足RF / RG = | AV | = 10即可。使用NE5532芯片，按照前面同相放大器選擇反饋電路電阻的經(jīng)驗(yàn)，選擇反相放大器反饋電阻RF和增益電阻RG的阻值分別為10k和1k，負(fù)載電阻RL選擇1k。選擇信號產(chǎn)生器輸出信號的電壓峰峰

31、值為100mV，改變信號產(chǎn)生器輸出信號的頻率，測量放大器的輸出電壓，獲得放大器的頻率特性如表2.7所示。表2.7 反相放大器的頻率特性（AV = 10）工作頻率（Hz）101001k10k100k500k1M5M輸入vip-p(mV)108108108107106106105111輸出vop-p(mV)102010201030102010301130722109| AV |9.449.449.549.539.7210.76.880.982這里每改變一次信號源的輸出信號頻率，都使用示波器測量一次信號源輸出信號的電壓峰峰值。測量信號源輸出電壓峰峰值的時(shí)候，斷開它與運(yùn)算放大電路的連接以避免電路輸入阻

32、抗隨頻率改變的影響。表2.7的數(shù)據(jù)顯示信號源的頻率特性并不理想，也就是雖然將信號產(chǎn)生器的輸出峰峰值調(diào)整好，測量過程中不再動它，但是隨著信號頻率的改變，輸出信號的峰峰值仍將出現(xiàn)小幅度的波動。使用實(shí)測的輸出信號峰峰值和輸入信號峰峰值進(jìn)行電壓增益的計(jì)算，這樣將獲得一個(gè)正確的電壓增益數(shù)值。注意表中在工作頻率為500kHz時(shí)的測量數(shù)據(jù)，這時(shí)放大器的增益明顯地高于理論計(jì)算值。頻率特性中出現(xiàn)的這種現(xiàn)象被形象地稱為“峰值”，它的出現(xiàn)是由于放大器工作不穩(wěn)定所致。在一定條件下，反饋信號可能導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定，這里的反饋信號包括反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的反饋，以及芯片內(nèi)部存在的反饋。關(guān)于運(yùn)算放大器工作穩(wěn)定性問題將會在后面詳細(xì)地

33、討論。隨著工作頻率上升，放大器增益的大趨勢是下降的。當(dāng)工作頻率達(dá)到1MHz時(shí)，放大器的增益接近到低頻時(shí)的0.707倍。近似認(rèn)為放大器的帶寬為1MHz，該放大器增益和帶寬的乘積為10MHz。反映運(yùn)算放大器芯片頻率特性的技術(shù)指標(biāo)具有2個(gè)：增益帶寬積（Gain-Bandwidth Product，GBW）和單位增益帶寬（Unity-Gain Bandwidth）。這2個(gè)技術(shù)指標(biāo)是有區(qū)別的。增益帶寬積體現(xiàn)運(yùn)算放大器電路的增益和帶寬的乘積為常量這樣一個(gè)概念，大的增益對應(yīng)小的帶寬，大的帶寬對應(yīng)小的增益。單位增益帶寬表示運(yùn)算放大器芯片的開環(huán)增益為1時(shí)對應(yīng)的工作頻率。NE5532運(yùn)算放大器芯片的單位增益帶寬典

34、型值為10MHz。運(yùn)算放大器的增益帶寬積（GBW）并不是一個(gè)固定不變的數(shù)值，實(shí)際數(shù)值的離散性很大。這是一個(gè)用戶不能控制的參數(shù)，它經(jīng)常為實(shí)現(xiàn)需要的頻率特性來確認(rèn)運(yùn)算放大器芯片是否滿足工作帶寬的要求。限制大信號條件下工作頻率范圍的另一個(gè)技術(shù)指標(biāo)為運(yùn)算放大器芯片的壓擺率（Slew Rate，SR）。壓擺率定義為由輸入階躍信號所引起的輸出電壓的變化速率，單位為V/s。NE5532運(yùn)算放大器芯片壓擺率的典型值為9V/us。當(dāng)運(yùn)算放大器電路處理高頻率、大幅度的正弦信號時(shí)，由于信號的瞬時(shí)電壓數(shù)值變化得很快，這時(shí)運(yùn)算放大器芯片的輸出也將跟不上信號的變化，造成輸出的信號波形失真。對圖2.5所示的反相放大器電路，

35、選擇信號源的工作頻率為500kHz，逐漸加大信號源輸出信號的幅度。隨著放大器輸入信號幅度的增加，它的輸出信號幅度也逐漸增加。當(dāng)放大器輸出信號的峰峰值達(dá)到3.15V時(shí)，這時(shí)信號波形出現(xiàn)明顯的失真，正弦波信號變得就像鋸齒樣的形狀。運(yùn)算放大器芯片處理信號時(shí)，如果不希望由于芯片壓擺率太小而使信號失真，那么芯片的壓擺率需要至少要滿足所處理信號的變化速度。一個(gè)正弦信號的最大變化速度出現(xiàn)在信號過0點(diǎn)的時(shí)刻。由下面等式可以判斷所選擇的芯片是否滿足要求SR2fVP-P（2.7）這里f為所處理信號的頻率；VP-P為所處理信號的峰峰值。在式（2.4）中代入頻率為500kHz時(shí)的信號峰峰值3.15V，計(jì)算結(jié)果要求SR

36、9.89。NE5532運(yùn)算放大器芯片的壓擺率為9V/us，已經(jīng)小于要求的數(shù)值，因此輸出信號產(chǎn)生失真也是事出有因。對于運(yùn)算放大器芯片在大信號條件下的應(yīng)用，最大輸出幅度帶寬更有參考價(jià)值。這里的最大輸出幅度為圖2.4所示的飽和電壓VOH，或者VOL。NE5532運(yùn)算放大器芯片最大輸出幅度帶寬的典型值為140kHz。2.5 放大器電路的輸入/輸出電阻匹配在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常要求運(yùn)算放大器電路能夠分別與信號源和負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)電阻匹配。圖2.6給出一種實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)要求的同相放大器電路。 圖2.6 考慮電阻匹配的同相放大器電路圖電路中信號源的內(nèi)阻和負(fù)載電阻都為50。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器電路與這樣的信號源和負(fù)載進(jìn)行電阻匹配，尤其在高頻應(yīng)用場合。NE5532運(yùn)算放大器芯片的輸入電阻最小值為30k，典型值為300k；輸出電阻的典型值為0.3。理想同相放大器電路的輸入電阻和輸出電阻分別如下式所示（2.8）（2.9）對于50的信號源的內(nèi)阻和負(fù)載電阻，NE5532運(yùn)算放大器芯片可以認(rèn)為是理想的。如果從運(yùn)算放大器芯片同相輸入端，向芯片看進(jìn)去的等效電阻呈現(xiàn)無窮大，那么在運(yùn)算放大器電路的輸入端，簡單地