真正的运算放大器有一些缺陷相比,一个“理想”模型。一个真正的设备偏离了一个完美的差分放大器。1 - 1可能不是0。它可能有一个偏移量的模拟仪不是调到零位。输入可能画出电流。随着年龄的增长特点可能漂移和温度。获得可能会减少在高频率和相位可能从输入到输出的转变。这些缺陷可能会导致在某些应用程序中,没有明显的错误无法接受别人的错误。在某些情况下,这些错误可能弥补。有时更高质量,更高的设备成本是必需的。
正如之前提到的,一个理想的微分放大器放大的电压区别之间的两个输入。如果差动放大器的两个输入一起做空(从而确保零电位差别),不应该有任何数量的输出电压变化这两个空的输入和地面之间的电压:
电压之间常见的输入和地面,“V模”在这种情况下,共模电压。像我们这种常见的电压不同,完美的差分放大器的输出电压应持有绝对稳定(不改变输出共模输入任意变化)。这翻译共模电压增益为零。
运算放大器,是一个差分放大器微分增益高,理想会零共模增益。在现实生活中,然而,这并不容易实现。因此,共模电压总是会有一些影响放大器的输出电压。
真正的运放的性能在这方面是最常见的测量电压的微分增益(放大多少的区别两个输入电压)和其共模电压增益(放大一个共模电压是多少)。前者比后者称为共模抑制比缩写为CMRR:
理想运放,与零模增益会无限CMRR。实际运算放大器有很高的CMRRs,无处不在的741有70分贝左右,这是3000多一点的比率。
因为一个典型的运放的共模抑制比是如此之高,共模增益通常不是一个伟大的关注电路中运放使用负面的反馈。如果放大器电路的共模输入电压突然变化,从而产生相应的输出由于共模增益的变化,输出变化量会迅速纠正负面的反馈和微分增益(多大于共模增益)努力使系统恢复平衡。果然,改变可能的输出,但是这将是一个很多比你期望什么。
考虑要牢记,在微分运算放大器等电路共模增益仪表放大器。以外的运放的密封包装和极高的微分增益,我们可能会发现引入共模增益的不平衡电阻的值。为了证明这一点,我们将运行一个香料分析仪表放大器的输入一起做空(无差动电压),实施一个共模电压看看会发生什么。首先,我们将运行分析显示一个完美平衡电路的输出电压。我们应该期待看到没有输出电压随着共模电压的变化的变化:
仪表放大器1 v1 0 rin1 1 0 9 e12汽油rjump 1 4 1 e-12 rin2 4 0 9 e12汽油e1 3 0 1 2 999 k e2 6 0 4 5 999 k e3 9 8 7 999 k rload 9 0 10 k r1 r2 2 3 10 k rgain 2 5 10 k 5 6 10 k r3 3 7 10 k r4 7 8 9 10 k r5 6 10 k r6 8 0 10 k .dc v1 0 1 .print直流v(9)指标。最终
v1 v (9) 0.000 0.000 e + e + 00 00 1.000 2.710 1.355 2.000 e-16 e + e + 00 00 e-16 3.000 0.000 e + e + 00 00可以看出,输出电压5.421 v (9) 4.000 e + 00 e-16很难改变在所有模5.000 0.000 e + e + 00 00输入电压(v1)清洁工从0 6.000 0.000 e + e + 00 00到10伏特。7.000 0.000 e + e + 00 00 8.000 -1.084 1.084 e15汽油9.000 e + e + 00 00 e15汽油1.000 e + 01 0.000 e + 00
除了很小的偏差(实际上由于怪癖的香料,而不是实际电路的行为),保持稳定的输出,应该是:在0伏,与输入电压微分为零。然而,我们引入电阻不平衡电路,提高R的值5从10000Ω- 10500Ω,看看会发生什么(网表已经省略了brevity-the唯一改变的值是R5):
v1 v (9) 0.000 0.000 e + e + 00 00 1.000 e + 00 -2.439 e-02 2.000 -7.317 -4.878 3.000 e-02 e + e + 00 00 e-02这次我们看到一个重大变化4.000 e + 00 -9.756 e-02(从0到0.2439伏)在输出电压5.000 e + 00 -1.220 e-01的共模输入电压扫描6.000 e + 00 -1.463 e-01从0到10伏特之前。7.000 e + 00 -1.707 e-01 8.000 -2.195 -1.951 9.000 e-01 e + e + 00 00 e-01 1.000 e + 01 -2.439 e-01
我们输入电压差仍然是零伏特,但共模电压的输出电压变化显著改变。这是一个共模增益,说明我们想要避免的东西。更重要的是,它的共模增益自己,无关与运算放大器本身的缺陷。与much-tempered微分增益(实际上等于3在这个特定的电路),没有负反馈电路外,这种共模增益仪表信号会不受控制的在一个应用程序。
只有一个方法来纠正这种共模增益,平衡所有电阻的值。当设计一个仪表放大器从离散的组件(而不是购买一分之一集成包),明智的做法是提供一些方法进行精细调整四个电阻连接到至少一个最后一个运算放大器能够“修剪”这样的共模增益。提供“修剪”电阻网络的方法有额外的好处。假设所有电阻的值是完全应该,但由于存在共模增益运算放大器的一个缺陷。调整条款,可以减少阻力补偿这意外收获。
一个怪癖的运算放大器模型的输出封闭,通常引起的共模输入电压超过允许的极限。如果指定的制造商的共模电压超出极限,高输出可能会突然“门闩”模式(全输出电压饱和)。在JFET-input运算放大器,封闭可能发生如果共模输入电压方法过于密切的负电源轨电压。TL082运放,例如,这发生在共模输入电压在0.7伏特的负电源干线电压。这种情况很可能发生在一个单电源电路、负电源轨的地面(0伏特),输入信号是自由摇摆到0伏特。
封闭也可能引发的共模输入电压超过铁路供电电压,正面的或者负面的。作为一个规则,你应该不会允许输入电压超过积极的供电干线电压,或低于负电源轨电压,即使放大器的问题是防止封闭(如741年和1458年的放大器模型)。至少,在放大器的行为可能会变得不可预测。在最坏的情况下,这种封闭由输入电压超过电源电压放大器可能是破坏性的。
虽然这个问题似乎很容易避免,它更有可能比你想象的可能性。考虑一个运算放大器电路的情况下在升高。如果完整电路接收输入信号电压之前自己的电源有足够的时间滤波电容充电,共模输入电压很容易超过电源轨电压在短时间内。如果放大器接收信号电压的电路由一个不同的电源,和自己的电源出现故障,信号电压(s)的供电轨电压可能超过无限期的时间!
另一个实际关心运放性能电压偏置。输出电压的影响,其他比零伏,当两个输入端子做空在一起。记住,运算放大器是微分放大器最重要的是:他们应该放大电压的差异之间的两个输入连接而已。当输入电压差就是零伏,我们会(理想情况下)希望完全零伏在输出。然而,在现实世界中这很少发生。即使放大器问题共模增益为零(无限CMRR时输出电压可能不是在零输入都是一起做空。这个偏离零抵消。
完美的运放输出完全零伏特与其一起输入短路和接地。然而,多数运算放大器从架子上就要将其输出到饱和水平,消极或积极的。在上面的例子中,积极的输出电压是饱和值14.7伏特,只是略低于+ V(+ 15伏特)由于积极的饱和限制这个特殊的运放。因为抵消这个运放驱动输出完全饱和的时候,没有办法告诉出席多少电压抵消输出。如果+ V / V的分割电源是足够高的电压,谁知道呢,也许输出将几百伏的一种方法或其他由于抵消的影响!
出于这个原因,补偿电压通常是表达的等值输入电压差产生这种效应。换句话说,我们设想在放大器是完美的(没有任何抵消),和一个小电压被应用于系列的输入力的输出电压的一种方法或其他远离零。是运放微分上涨如此之高,“输入补偿电压”的图不需要太多解释我们所看到的与做空输入:
偏移电压会介绍轻微的错误在任何运放电路。那么我们怎么弥补呢?共模增益不同,通常有规定由制造商削减包装运放的偏置。通常,两个额外的终端连接外部的运放包保留“修剪”电位计。这些连接的点标记偏置零这被用于一般的道:
等单运算放大器741年和3130年,抵消null连接点插脚1和5有四包。其他模型的运算放大器可能抵消空连接位于不同的针,和/或需要稍微调整电位器连接配置的差异。一些运算放大器不提供补偿零销!有关详细信息,请参考制造商的规范。
输入一个运放有非常高的输入阻抗。也就是说,输入电流进入或退出一个运放的两个输入信号连接是极其微小的。对于大多数运放电路分析的目的,我们对待他们,好像他们不存在。我们分析电路好像有绝对零电流进入或退出输入连接。这种田园诗般的照片,然而,并不完全正确。运算放大器,尤其是运算放大器双极型晶体管输入,必须有一定数量的电流通过输入连接为了他们的内部电路是正确的偏见。这些水流,从逻辑上讲,被称为偏置电流。在一定条件下,运算放大器偏置电流可能是有问题的。下面的电路条件说明了一个问题:
乍一看,我们看到这种电路没有明显问题。一个热电偶,生成一个小电压与温度成正比(实际上,电压成正比区别温度的测量结和“参考”之间的连接时形成的合金热电偶导线连接铜线导致在放大器)驱动放大器或正面或负面。换句话说,这是一种比较器电路,比较温度热电偶接点和参考之间的连接(在运放)。问题是这样的:线圈由热电偶不提供一个路径的输入偏置电流,因为两个偏置电流正试图以同样的方式去(到运放或者出来)。
为了使这个电路正常工作,我们必须地面的一个输入导线,从而提供一个路径(或)为两个电流:
不一定是一个明显的问题,但一个非常现实的一个!
输入偏置电流可能导致麻烦的另一个方法是减少不必要的电压在电路电阻。以电路为例:
我们期待一个电压跟随器电路如上面复制的精确输入电压输出。但电阻与输入电压源串联?如果有任何输入偏置电流通过同相(+),它将会下降一些电压R在在同相输入,从而使电压不等于实际的V在价值。偏置电流通常在微安的范围内,所以R上的电压降在不会,除非R在是非常大的。的一个示例应用程序,输入电阻(R在)将是非常大的pH值探测电极,其中一个电极包含一个离子渗透玻璃屏障(不良导体,用数百万Ω的阻力)。
如果我们实际上是构建一个运放电路pH电极电压测量,我们可能想要使用一个场效应晶体管或MOSFET (IGFET)输入运放,而不是一个由双极晶体管(低输入偏置电流)。但即便如此,可能仍会导致轻微的偏置电流测量错误发生,所以我们必须找到一些方法来减轻通过好的设计。
这样做的一个方法是基于假设的两个输入偏置电流是相同的。在现实中,他们通常接近相同,它们之间的差异称为输入偏置电流。如果它们是相同的,那么我们应该能够抵消输入电阻压降的影响通过注入等量的串联电阻与其他输入,像这样:
添加了额外的电阻电路,输出电压将接近V在比以前,即使有两个输入电流之间的偏移量。
同相放大器和反相电路的偏置电流补偿电阻放置在系列同相补偿(+)输入偏置电流电压下降分频器网络:
在这两种情况下,补偿电阻的值是由平行电阻值的计算R1和R2。为什么价值等于平行相当于R1和R2吗?当使用叠加原理计算电压降多少将反相(-)产生的输入偏置电流,我们对待的偏置电流,好像来自电流源在运放和短路电压源(V在和V出)。这给了两个并行路径偏置电流(通过R1并通过R2,地面)。我们想要复制偏置电流对同相输入(+)的影响,所以我们选择插入串联电阻值与输入要等于R1与R2。
经历了一个相关的问题,有时学生只是学习建立运算放大器电路,是由于缺乏一个共同的地面连接电源。它是必要的适当的运放功能,终端的直流电源是一些常见的“地面”连接输入信号(年代)。这提供了一个完整的偏置电流路径,反馈电流(s),负载电流(输出)。把这个电路说明,例如,显示正确接地电源:
这里,箭头表示电子的路径流过供电电池,对于推动运放的内部电路(“电位计”里面,控制输出电压),和驱动反馈回路的电阻R1和R2。然而,假设这个“分裂”的地面连接直流电源被移除。这样做的影响是深远的:
没有电子可能流入或在放大器的输出终端,因为电源的途径是“死胡同。“因此,没有电子流过接地左边的R1,无论是通过反馈回路。这有效地呈现在放大器无用的:它既不能维持电流反馈回路,也通过接地负载,由于没有从任何点的电源连接。
偏置电流也停了下来,因为他们依赖于路径电源,通过地面回输入源。下图显示了偏置电流(只),因为他们在放大器的输入终端,通过终端输入晶体管的基础,并最终通过电源终端(s)和回到地面。
没有地面参考电源,将没有完整路径的偏置电流电路,他们会停止。由于双极结型晶体管是电流控制设备,这使运算放大器的输入级无用,既是输入晶体管将被迫完全缺乏基极电流截止。
点评:
半导体器件,运算放大器有轻微的变化行为与工作温度的变化。运放性能与温度的任何变化都属于运算放大器漂移。漂移参数可以指定为偏置电流,补偿电压等。咨询制造商的数据表的细节在任何特定的运算放大器。
减小运放漂移,我们可以选择一个运放有最低漂移,和/或我们可以尽最大努力保持尽可能稳定的工作温度。后者行动可能包括提供某种形式的温度控制设备的内部住房保护放大器(s)。这并不奇怪,因为它可能似乎。实验室标准精密基准电压发电机,例如,有时采用“烤箱”,让他们敏感的组件(如稳压二极管)在恒定的温度。如果需要极高精度的常见因素成本和灵活性,这可能是值得一看的一个选择。
点评:
与他们的难以置信的差分电压增益高,运算放大器是一个现象的主要候选人反馈振荡。你可能听说过的等效体积时的音频效果(收益)广播或其他话筒放大器系统被过高:高投尖叫声音波形产生的“反馈”,通过麦克风再次被放大。一个运放电路同样可以体现这种效果,反馈发生电而不是声音。
案件的例子是在3130年的运放,如果它连接作为电压跟随器的最低限度布线连接(两个输入、输出和电源连接)。该放大器的输出将self-oscillate由于其高增益,无论输入电压。为了解决这一问题,一个小补偿电容器必须连接到放大器两个特别予以提供终端。电容器提供了一个高阻抗发生负面反馈的路径在运算放大器的电路,从而减少交流增益和抑制不必要的振动。如果放大器用来放大高频信号,这种补偿电容可能不需要,但它绝对是必不可少的直流或低频交流信号操作。
一些运算放大器,如741年模式,有一个补偿电容建于最小化外部组件的必要性。这个改进的简单并非没有成本:由于在放大器输入电容的存在,负面的反馈往往走强随着工作频率的增加,电容器的电抗随频率越高)。结果,在放大器的差分电压增益降低频率上升:它变成了一个不那么有效放大器在更高的频率。
运放的制造商将为他们的产品发布的频率响应曲线。因为足够高微分增益是绝对有必要的良好的反馈操作运算放大器电路,一个运放的增益/频率响应有效地限制了其“带宽”的操作。电路设计必须要考虑到这一点,如果要维持良好的性能在所需的信号的频率范围。
点评:
为了说明相移从输入到输出的运算放大器(放大器),OPA227是在我们实验室进行测试。OPA227是建造在一个典型的非反相配置(下图)。
OPA227非反相阶段
电路配置要求的信号增益≅34 V / V或≅50分贝。输入激励Vsrc将10 mVp,和三个感兴趣的频率:2.2 kHz, 22 kHz, 220 MHz。OPA227的开环增益与频率和相位曲线如下图所示。
一个V和Φ与频率图
帮助预测闭环相移从输入到输出,我们可以使用开环增益和相位曲线。因为电路配置闭环增益,或1 /β,≅50 dB,闭环增益曲线相交的开环增益曲线大约22千赫。在这十字路口,闭环增益曲线辊在典型的20 dB /十年电压反馈放大器,和开环增益曲线。
这里实际上是在工作的负反馈闭环修改开环反应。缩小与负面反馈循环建立一个闭环极点在22千赫。就像开环阶段主导极点的曲线,我们将期待相移的闭环响应。相移多少我们会看到吗?
自从新杆现在在22 kHz,这也是3 dB点作为杆又开始滚下闭环以每十年20 dB如前所述。与任何杆在基本控制理论中,相移开始发生前一个十年频率杆,并在90年结束o相移的一个又一个十年的频率。那么,这对电路的闭环响应预测吗?
这将预测相移起价2.2 kHz, 45o3 dB相移的22点kHz,与90年最后的结局o220千赫的相移。下面所示的三个数字示波器捕捉OPA227电路在感兴趣的频率。图下面定于2.2 kHz,没有明显的相移。图下面设置为220 kHz,≅45o相移的记录。最后,下图为220 MHz,预期≅90o相移的记录。范围使用LeCroy 44 x Wavesurfer情节被抓获。最后的情节与触发器x1调查使用范围设置为高频拒绝。
OPA227 Av = 50 db @ 2.2 kHz
OPA227 Av = 50 db @ 22千赫
OPA227 Av = 50 db @ 220千赫
相关工作表:
