【導(dǎo)讀】運(yùn)算放大器無(wú)處不在，它源于模擬計(jì)算機(jī)時(shí)代，有著悠久的歷史，現(xiàn)在已經(jīng)成為模擬電子領(lǐng)域的標(biāo)志性產(chǎn)品。為什么運(yùn)算放大器如此受歡迎？未來(lái)哪些產(chǎn)品可能取代運(yùn)算放大器？
幾年前，ADI公司安排我出差去參加研討會(huì)，在斯德哥爾摩和米蘭航段，我的行李丟了。我穿著新買(mǎi)的意大利服裝，沒(méi)有幻燈片可展示，尷尬地對(duì)著眾多付費(fèi)觀(guān)眾。我向他們保證，等吃完午餐事情就解決了，我決定只給他們講一講運(yùn)算放大器，說(shuō)說(shuō)這些器件本身的局限性，讓這些自認(rèn)很資深的用戶(hù)對(duì)放大器有更深入的了解。有人給我拿來(lái)幾張白紙和一支黑色馬克筆，我們開(kāi)始探索這片“未知水域”。
一開(kāi)始我就問(wèn)：“誰(shuí)用過(guò)運(yùn)算放大器?”差不多每個(gè)人都舉起了手，有人笑得不可名狀，也有人自信地低聲輕笑。然后我接著問(wèn)：“為什么要用放大器?”大廳里陡然鴉雀無(wú)聲，笑容變得隱晦。過(guò)了幾秒鐘，有人試著回答：“嗯，有大量運(yùn)算放大器可供選擇。”我承認(rèn)，的確是這樣。另一人回答：“它們很便宜!”這也沒(méi)錯(cuò)，這些運(yùn)算放大器在解決目前的問(wèn)題時(shí)具有極好的價(jià)值。最后，一些人鼓足勇氣說(shuō)：“它們?cè)鲆婧芨?”這才是我想要的答案!因?yàn)樵趲缀跛羞\(yùn)算放大器應(yīng)用中，這句話(huà)看似不正確。然而這是運(yùn)算放大器的奧秘之一。“現(xiàn)在我們來(lái)談?wù)勥@個(gè)問(wèn)題吧”，我說(shuō)。
運(yùn)算放大器無(wú)處不在，它源于模擬計(jì)算機(jī)時(shí)代，有著悠久的歷史，現(xiàn)在已經(jīng)成為模擬電子領(lǐng)域的標(biāo)志性產(chǎn)品。它的名字是如此平淡，我們很少靜下心來(lái)思考它所代表的含義，更不會(huì)想到還有對(duì)應(yīng)的器件“非運(yùn)算放大器”。“非運(yùn)算放大器”從字面意思來(lái)看，就是“不運(yùn)算的放大器”。可能有許多放大器并不基于“運(yùn)算放大器范式”，而是從單個(gè)晶體管單元開(kāi)始，在某些特殊領(lǐng)域這些晶體管的性能可能優(yōu)于運(yùn)算放大器，例如適合RF應(yīng)用的LNA，并且包括一些基本的變體，例如電流反饋和有源反饋器件。本文先提出一個(gè)問(wèn)題：為什么運(yùn)算放大器如此受歡迎?隨后會(huì)探討如果不透徹了解無(wú)處不在的運(yùn)算放大器，在應(yīng)用中可能會(huì)引起的一些鮮為人知的問(wèn)題。后續(xù)文章還會(huì)探討未來(lái)幾年可能取代運(yùn)算放大器的產(chǎn)品，包括電流反饋類(lèi)型，以及替代精密的低失真、寬帶、電壓模式放大的新解決方案。
選擇和理想
如今，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在眾多不同種類(lèi)的所謂“傳統(tǒng)”單片運(yùn)算放大器中進(jìn)行選擇，這類(lèi)器件具有差分高阻抗輸入，支持小電壓VIN，以及單邊(或者看似如此)低阻抗輸出，由此出現(xiàn)VOUT = AVIN，通常認(rèn)為放大因數(shù)A非常大。我們稱(chēng)這種放大器為OPA。至于其它類(lèi)型，例如TZA和AFA，我們將在后續(xù)專(zhuān)欄中介紹。
每個(gè)OPA都有其特殊的性能，例如只提供幾個(gè)飛安偏置電流(通常稱(chēng)為靜電計(jì)級(jí)運(yùn)算放大器);或者提供超低偏置電壓(即所謂的“儀表級(jí)運(yùn)算放大器”，不要與“儀表放大器”混淆，后者通常指固定增益差分輸入放大器);或者具有極低噪聲，包括不穩(wěn)定和具有煩人的低頻率噪聲(稱(chēng)為1/f);或者具有寬帶寬，同時(shí)具有高壓擺率時(shí)比較有用(雖然并不太需要);或者支持小功率運(yùn)行，有時(shí)采用非常低的電源電壓;或者能夠?qū)⒋蠊β黍?qū)動(dòng)到負(fù)載。每種OPA都體現(xiàn)了一組強(qiáng)大的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然，沒(méi)有任何一種設(shè)計(jì)是通用的。
OPA為何應(yīng)用如此廣泛?是否可以將部分原因歸結(jié)為推廣和促銷(xiāo)?它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近乎萬(wàn)能的特性，只是一個(gè)神話(huà)嗎?顯然不是;但是，它未必始終具備其享譽(yù)的精度。如果你打開(kāi)大多數(shù)有關(guān)運(yùn)算放大器的教科書(shū)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)討論總是以所謂的“理想特性”開(kāi)始，開(kāi)頭總是這樣的：
無(wú)限增益
無(wú)限帶寬
無(wú)延時(shí)
坦率地說(shuō)，即使在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，我也不知道如何使用這樣的放大器，簡(jiǎn)單說(shuō)就是因?yàn)檫@些放大器永遠(yuǎn)不會(huì)穩(wěn)定下來(lái)——即使OPA中絕對(duì)沒(méi)有增益和相位誤差。事實(shí)上，正是基于這一點(diǎn)才獲得高精度。不妨考慮一下實(shí)現(xiàn)單位增益反相放大器的簡(jiǎn)單反饋電路。在實(shí)際的實(shí)施中，從輸出到反相端的物理電阻具有分布電阻和電容，并且具有相當(dāng)復(fù)雜的增益/相位特性。盡管這種特征時(shí)間常數(shù)非常小，通常是皮秒，但如果放大器確實(shí)能在超出關(guān)鍵限值范圍以外的頻率實(shí)現(xiàn)真正的平坦增益，那么它們絕對(duì)不穩(wěn)定。我們可以通過(guò)快速仿真來(lái)展示這種可能性。當(dāng)然，這是個(gè)學(xué)術(shù)問(wèn)題。實(shí)際的運(yùn)算放大器在大多數(shù)應(yīng)用中都具有出色的性能，正是這種高度可預(yù)測(cè)的良好性能使運(yùn)算放大器成為現(xiàn)代模擬設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的組成部分。這是如何實(shí)現(xiàn)的?
在實(shí)際的OPA中，各元件固有的“慣性”會(huì)造成相位滯后，在高頻時(shí)，相位滯后更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致出現(xiàn)大相位角。大部分原因應(yīng)該歸結(jié)于晶體管，但電阻的電容特性也會(huì)造成相位滯后。如果增益幅度過(guò)大，閉環(huán)響應(yīng)將不穩(wěn)定。這種情況通過(guò)“HF補(bǔ)償”來(lái)解決，說(shuō)明大多數(shù)當(dāng)代運(yùn)算放大器中都會(huì)考慮這一點(diǎn)。穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)大家都很熟悉，比較可靠的教科書(shū)中都會(huì)進(jìn)行全面闡述(關(guān)于這個(gè)主題，推薦大家閱讀麻省理工學(xué)院的Jim Roberge撰寫(xiě)的《運(yùn)算放大器》)。到目前為止，最常用的穩(wěn)定技術(shù)是“主導(dǎo)極點(diǎn)(dominant pole)”，它可以保證閉環(huán)響應(yīng)無(wú)條件保持穩(wěn)定(至少在單位閉環(huán)增益和并非完全無(wú)功負(fù)載的情況下)，雖然從某些方面來(lái)說(shuō)效率很低，卻大大簡(jiǎn)化了運(yùn)算放大器的使用。但也正是這種技術(shù)導(dǎo)致許多實(shí)際應(yīng)用中的交流增益極低。
在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，OPA的性能通過(guò)大量與直流特性有關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)體現(xiàn)。其中之一是開(kāi)環(huán)直流電壓增益AO。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的現(xiàn)代社會(huì)，人們認(rèn)為AO低于100dB(也就是低于x100,000)的運(yùn)算放大器才剛剛勉強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。所以，人們費(fèi)盡心力地來(lái)提高這個(gè)參數(shù)值——100萬(wàn)很常見(jiàn)，1000萬(wàn)也算平常。我不明白為什么大家需要這么高的增益。即使在應(yīng)變儀(strain-gauge)接口這樣的應(yīng)用中，數(shù)百萬(wàn)直流增益也是不合理的。
例如，假設(shè)我們希望實(shí)現(xiàn)x10,000的閉環(huán)增益，以便將100mV的信號(hào)提升到可用的1V。為了達(dá)到-1%的誤差，有限的AO必須是100萬(wàn)。但是反饋網(wǎng)絡(luò)中用來(lái)定義增益的電阻的精度絕不會(huì)高于1%;應(yīng)變系數(shù)的不確定性往往會(huì)導(dǎo)致更大的標(biāo)度誤差。鑒于應(yīng)變測(cè)量通道的單次校準(zhǔn)通常都是強(qiáng)制性的，所以使用較低的AO就足以提供足夠的性能，特別是當(dāng)這個(gè)參數(shù)在溫度和電源電壓下是穩(wěn)定的，設(shè)計(jì)良好的現(xiàn)代產(chǎn)品通常都是如此。
從前的謎題
人們偶然注意到，集成電路中出現(xiàn)的某些微妙的、一時(shí)令人費(fèi)解的限制，可能會(huì)阻礙實(shí)現(xiàn)非常高的直流電子增益。在運(yùn)算放大器發(fā)展早期，這曾經(jīng)是相當(dāng)大的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)人們還不像現(xiàn)在技術(shù)嫻熟的設(shè)計(jì)師一樣了解硅的真實(shí)特性。事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題首次出現(xiàn)時(shí)，人們覺(jué)得非常令人費(fèi)解。不僅增益低于預(yù)期值(通常要低得多)，它甚至可以是反相符號(hào)：也就是說(shuō)，外部網(wǎng)絡(luò)提供的負(fù)反饋在非常低的頻率下變?yōu)檎答?，但閉環(huán)響應(yīng)卻保持穩(wěn)定!這怎么可能呢?
人們很快意識(shí)到，罪魁禍?zhǔn)讘?yīng)該是來(lái)自輸出級(jí)的熱反饋(輸出級(jí)的運(yùn)行溫度可能非常高)，然后被回傳給始終用作輸入級(jí)的差分對(duì)。由此產(chǎn)生的熱梯度可以在這些器件之間產(chǎn)生VBE。這種影響非常大：對(duì)于雙極晶體管，僅0.01℃的溫差在室溫下會(huì)產(chǎn)生約20µV偏置電壓(如果芯片溫度更高，該值越大)。假設(shè)這種功率變化造成的1V輸出的差值，那么“熱增益”應(yīng)該只是1V/20µV，或僅為50,000。顯然，熱反饋信號(hào)由部署的精密細(xì)節(jié)決定，如果它應(yīng)該是正的，則將在與電反饋相反的方向運(yùn)行。但交流響應(yīng)保持穩(wěn)定，因?yàn)樗怯筛哳l率上的特征決定的。事實(shí)上，交流響應(yīng)在幾乎所有實(shí)際的運(yùn)算放大器應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。
現(xiàn)代運(yùn)算放大器系統(tǒng)中很少出現(xiàn)熱反饋問(wèn)題，這是因?yàn)樗鼈儾捎昧硕喾N共中心布局技術(shù)。這種技術(shù)最早的采用應(yīng)該歸功于ADI公司的Mitch Madique，它也用到了晶體管的交叉四方(cross-quad)特性：不是采用單對(duì)晶體管，而是將兩組晶體管呈方形放置，并且采用會(huì)抵消熱感應(yīng)偏置的方式連接。但這并不是實(shí)現(xiàn)所需的漸變效果唯一可能的布局。有時(shí)候，采用另一種方案會(huì)更方便，我將它稱(chēng)為懶人“交叉四方”，表示一種線(xiàn)性A-B-B-A布局。共中心方法現(xiàn)在已成為慣常采用的方法，它們最大限度地減少了放大器輸入端的直流誤差源，例如由芯片上的摻雜梯度引起的誤差，以及機(jī)械應(yīng)變的影響，它們?cè)谠S多其它單片設(shè)計(jì)領(lǐng)域也很有用，比如電流鏡(Current Mirror)。
內(nèi)部積分電路
運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)也給出了“單位增益”頻率，我們稱(chēng)之為f1。通過(guò)采用主導(dǎo)極點(diǎn)方法，在較低的信號(hào)頻率fs下，增益幅值會(huì)增加，其值并不難算：就是fs/f1。因此，如果我們使用單位增益頻率為f1 = 10MHz的運(yùn)算放大器，在100kHz時(shí)它的增益正好是100——離無(wú)限差遠(yuǎn)了!我在會(huì)上指出了這一點(diǎn)，問(wèn)聽(tīng)眾：“假設(shè)你有一個(gè)100MHz單位增益的運(yùn)算放大器，在30MHz信號(hào)下，它的開(kāi)環(huán)增益是多少?”回應(yīng)非常有趣，很明顯，很多人都心算過(guò)了，得出的增益值是3.3。但是“每個(gè)人都知道”運(yùn)算放大器的增益值是極高的，這讓他們開(kāi)始嚴(yán)重懷疑自己計(jì)算結(jié)果的正確性。沒(méi)人舉手回答!
這是一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)，毫不夸張。OPA一派的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)在大多數(shù)信號(hào)頻率下，都不會(huì)產(chǎn)生高開(kāi)環(huán)增益。如果我們回到應(yīng)變儀測(cè)量接口問(wèn)題，并且提問(wèn)：“對(duì)于直流增益為1000萬(wàn)，單位增益頻率(f1)為1MHz的放大器，在只有100Hz的信號(hào)頻率(在振動(dòng)測(cè)量?jī)x器中相當(dāng)常見(jiàn))下，開(kāi)環(huán)增益是多少?”它只有10,000，也就是說(shuō)，比直流開(kāi)環(huán)增益低千倍，顯然與動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)關(guān)。
我們來(lái)仔細(xì)看看通過(guò)主導(dǎo)極點(diǎn)(今天仍然是主流技術(shù)!)穩(wěn)定下來(lái)的典型運(yùn)算放大器的響應(yīng)。我們看到f1以下的增益與頻率直接成反比，直到達(dá)到非常低的角頻率為止，在上面的示例中，它的值是1MHz/10,000,000，或0.1Hz，盡管這個(gè)數(shù)字全無(wú)意義。至于高于f1的fs，它會(huì)以一種近似線(xiàn)性的方式，隨著頻率的增加而降低，至少在一段時(shí)間內(nèi)是這樣。那么，如何稱(chēng)呼這種功能呢?我們將它稱(chēng)為“integrator”(積分電路)，其交流增益可以用拉普拉斯公式A(s) = 1/sT1來(lái)表示，其中T1是特征時(shí)間常數(shù)，由公式f1 = 1/2pT1可知，與f1有關(guān)系。因此，就頻率精度而言，我們可以說(shuō)運(yùn)算放大器最重要的參數(shù)是它的單位增益頻率f1，也就是它的特征時(shí)間常數(shù)T1。哈哈，要向英特爾致歉了，我們可以說(shuō)運(yùn)算放大器的標(biāo)志就是“Integrator Inside”!
這是對(duì)OPA的一種不同看法，與上述教科書(shū)中的觀(guān)點(diǎn)不同。但從它本身來(lái)說(shuō)也是一種理想，只是更貼近現(xiàn)實(shí)。此外，它完全符合教科書(shū)宣稱(chēng)的無(wú)限直流增益，因?yàn)?/sT1在s = 0(也就是f = 0)時(shí)會(huì)達(dá)到無(wú)限。如果預(yù)算放大器在實(shí)際應(yīng)用中是正常的、可預(yù)測(cè)的，1/sT1特征通常是需要的(雖然不是必需：先進(jìn)的高速放大器使用調(diào)整過(guò)的穩(wěn)定范式。)
OPA的“積分電路視角”非常有價(jià)值。GHz頻率的增益不受約束，這是大多數(shù)教科書(shū)和大學(xué)課堂中廣泛講授的說(shuō)法，但這只是應(yīng)用領(lǐng)域最天真的想法。事實(shí)上，人們甚至可以斷言(我就會(huì)!)，正是因?yàn)閭鹘y(tǒng)運(yùn)算放大器的這個(gè)獨(dú)特的“integrator”，它才被廣泛用于數(shù)不清的應(yīng)用中，由此實(shí)現(xiàn)無(wú)故障運(yùn)行，且無(wú)需對(duì)用戶(hù)進(jìn)行過(guò)度關(guān)注。但是，有人可能會(huì)說(shuō)，每個(gè)應(yīng)用都能輕松采用運(yùn)算放大器的這個(gè)現(xiàn)象令人遺憾，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致某種程度的懶惰，并且常常會(huì)忽略手頭上可能更好解決這個(gè)問(wèn)題的其它方法。
就是Active-R濾波器?
或許我們應(yīng)該舉一個(gè)與這種“普遍”觀(guān)點(diǎn)有關(guān)的示例，許多年前出現(xiàn)了一大堆誤導(dǎo)人的學(xué)術(shù)論文，這些論文指出，運(yùn)算放大器被應(yīng)用到不適合的應(yīng)用中時(shí)，存在嚴(yán)重缺陷。眾所周知，濾波器設(shè)計(jì)(當(dāng)時(shí)比較常見(jiàn)的是Sallen-and-Key類(lèi)型)在高頻率下會(huì)受到所謂“因?yàn)檫\(yùn)算放大器產(chǎn)生多余相位”的嚴(yán)重影響。當(dāng)然，從積分器角度我們可以看出，其實(shí)一點(diǎn)都不“多余”!運(yùn)算放大器能夠準(zhǔn)確提供預(yù)期的設(shè)計(jì)功效：增益幅度每十倍頻程降20dB，相位恒定為-90度。“多余相位”這個(gè)詞可能更適合用來(lái)表示：相位角的幅度在高于單位增益頻率時(shí)快速增大的現(xiàn)象，或者單單因?yàn)闀r(shí)間延遲導(dǎo)致的額外相位。但這兩種都不是導(dǎo)致濾波器中經(jīng)常出現(xiàn)令人煩惱的Q增強(qiáng)的原因。
然后，有一天，有人靈光一閃，“我知道了，我們可以使用運(yùn)算放大器極點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器時(shí)間常數(shù)!”這是一個(gè)好主意，可以說(shuō)，就是在它的基礎(chǔ)上，誕生了如今所謂的“gm/C”型濾波器設(shè)計(jì)。但根據(jù)實(shí)際考慮來(lái)看，它存在嚴(yán)重缺陷。它因?yàn)槭褂?ldquo;Active-R”這個(gè)名稱(chēng)而被過(guò)度炒作，其實(shí)這個(gè)名稱(chēng)毫無(wú)意義。任何純模擬濾波器基本上都必須使用儲(chǔ)能器件，在大多數(shù)單片低頻濾波器中都是電容器，因此必須始終保持“Active-CR”。我們很肯定，運(yùn)算放大器中會(huì)嵌入電容器，用作主導(dǎo)極點(diǎn)生成元件。我想學(xué)者們應(yīng)該很清楚這一點(diǎn)，但是通過(guò)改換名稱(chēng)來(lái)避免更深入的考量，顯然令人難以理解。
因?yàn)檫@個(gè)原因，我在《Electronics Letters》上發(fā)表了一篇名為《運(yùn)算放大器極點(diǎn)的使用：一次警示》的文章，在文中指出，商業(yè)運(yùn)算放大器的單位增益頻率f1是不準(zhǔn)確的，其公差從未確定：它一般只用于保證穩(wěn)定性，且通常具有比較大的裕量。順便說(shuō)一句，這引發(fā)了一個(gè)有趣的觀(guān)點(diǎn)。鑒于f1在幾乎所有應(yīng)用中的重要性(幾十年來(lái)它完全決定了低于它的開(kāi)環(huán)增益)，不采用具備經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的f1的運(yùn)算放大器時(shí)結(jié)果非常令人驚訝，我認(rèn)為它在很大程度上反映了人們?nèi)匀蝗狈σ环N認(rèn)知：這個(gè)參數(shù)只是衡量運(yùn)算放大器使用的一個(gè)基本參數(shù)?，F(xiàn)在，CR乘積(用于確定A(s) = 1/sT1中的T1)的受控率約為±35%，但是可以使用現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)備輕松調(diào)節(jié)到1%，且可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)，將其保持在非常接近室溫值。
此外，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)商業(yè)運(yùn)算放大器中f1的絕對(duì)控制性很差(因此使用隨機(jī)選擇的放大器時(shí)導(dǎo)致多極點(diǎn)濾波器的極點(diǎn)位置嚴(yán)重分散)，且此參數(shù)的溫度穩(wěn)定性也很差，所以命名糟糕的“Active-R”技術(shù)也存在嚴(yán)重局限性，幸好這種技術(shù)自然消亡了。其中一個(gè)限制是，典型的雙極輸入級(jí)的信號(hào)容量非常有限，在許多電平下會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模奇數(shù)階失真，因此在實(shí)際濾波器中不適用。在T = 27°C、基礎(chǔ)與基礎(chǔ)之間的驅(qū)動(dòng)電平僅為±20mV時(shí)，簡(jiǎn)單雙極對(duì)的HD3為1%(-40dBc)。
在批評(píng)了學(xué)術(shù)界的輕率行為之后，我意外收到一位教授來(lái)信，信的開(kāi)頭是這樣寫(xiě)的：“親愛(ài)的Gilbert博士：我們看到了您對(duì)我們研究的‘Active-R’過(guò)濾器的批評(píng)，我可以保證，這些是完全實(shí)用的。事實(shí)上，我的一個(gè)學(xué)生.....(此處省略一萬(wàn)字)”有時(shí)，讓人接受一個(gè)哪怕非常簡(jiǎn)單、真實(shí)的觀(guān)點(diǎn)也很困難。
“虛地”毫無(wú)根據(jù)
介紹運(yùn)算放大器的書(shū)籍喜歡贊美“虛地”的優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)觀(guān)點(diǎn)源于在OPA的輸入端提供對(duì)反相輸入的負(fù)反饋，且(通常)這個(gè)OPA輸入是接地的非反相輸入(此節(jié)點(diǎn)可能只是交流接地，或者甚至用于其它與信號(hào)相關(guān)的用途。)反向輸入也被稱(chēng)為“求和節(jié)點(diǎn)”，因?yàn)樗谀M計(jì)算機(jī)應(yīng)用中很常見(jiàn)，通過(guò)單個(gè)電阻將幾個(gè)電壓轉(zhuǎn)換成電流并求和，求和節(jié)點(diǎn)充當(dāng)所謂的“虛地”。它是虛擬的，因?yàn)樗](méi)有通過(guò)線(xiàn)纜連接到地面，但是(有人跟我們說(shuō))整個(gè)系統(tǒng)(OPA和電阻)運(yùn)行起來(lái)就像是接地了一樣，除了所有流向它的求和電流必須先流經(jīng)反饋電阻，并產(chǎn)生輸出電壓。
教科書(shū)中如此解釋?zhuān)阂驗(yàn)樵鲆娣浅７浅８?，在這個(gè)神奇的求和節(jié)點(diǎn)/虛地上從來(lái)沒(méi)有任何顯著的電壓變化，所以輸入電壓被精確地轉(zhuǎn)換成與之成比例的電流，而被稱(chēng)為“通過(guò)OPA接地”的輸出也同樣精確。這是一個(gè)很誘人的概念，但它并不完全正確。與“所有的求和電流”有關(guān)的部分沒(méi)什么問(wèn)題，因?yàn)镺PA的輸入電流通?？梢院雎圆挥?jì)，即使在頻率非常接近f1時(shí)也是如此;可以歸結(jié)為輸入電容的量極少。而且，即使是一個(gè)適度分流的輸入電阻(比如1MΩ)也不算很大問(wèn)題。
那么，問(wèn)題出在哪里呢?簡(jiǎn)單地說(shuō)，有限的交流開(kāi)環(huán)增益要求輸入端有一定的有限電壓，這意味著“虛地”不過(guò)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每當(dāng)輸入端有任何變化時(shí)，都必定存在一個(gè)可能引發(fā)問(wèn)題的適當(dāng)?shù)碾妷?。為了理解這種觀(guān)點(diǎn)離理想狀態(tài)有多遙遠(yuǎn)，我們不妨考慮一下用于將DAC的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓的OPA，也就是經(jīng)典的跨阻抗功能。我們把擴(kuò)展這個(gè)功能的反饋電阻當(dāng)做RF?，F(xiàn)在將運(yùn)算放大器模擬為一個(gè)積分電路(這一步必須做)，并考慮與電流階躍對(duì)應(yīng)的“虛地”的電壓擺幅。最開(kāi)始，運(yùn)算放大器的輸出保持不變;其初始響應(yīng)類(lèi)似斜坡，在放大器執(zhí)行VOUT = -VIN/sT1運(yùn)算時(shí)出現(xiàn)。在本例中，VIN是什么?它其實(shí)就是DAC輸出電流階躍(稱(chēng)為IDAC)乘以反饋電阻RF。在IDAC = 2mA、RF = 5kΩ(最終輸出為10V)這種典型示例中，輸入階躍也是10V!
當(dāng)OPA輸出在輸入端對(duì)整個(gè)最終值的“誤差電壓”進(jìn)行積分的時(shí)候，誤差按單純由單位增益頻率決定的速率呈指數(shù)下降，即基于T1時(shí)間常數(shù)。在這段時(shí)間內(nèi)，反向節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)非是一個(gè)“虛地”，相反在本例中電壓上升到最高輸出值10V，然后回落到接近零。在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際電壓會(huì)低于這個(gè)值，因?yàn)檩斎刖w管總是會(huì)發(fā)生發(fā)射極-基極擊穿(在回轉(zhuǎn)期間，DAC也經(jīng)常會(huì)限制電壓擺幅)。
有時(shí)，OPA的輸入端可能包含一個(gè)“二極管盒”，以針對(duì)如此大的輸入提供保護(hù)。有時(shí)會(huì)在電路板上增加肖特基二極管，以“優(yōu)化加速”。這種二極管能夠改善這種情況嗎?嗯，它們肯定可以防止輸入二極管因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間接觸反向偏置(瞬變或持續(xù))導(dǎo)致的beta下降，但實(shí)際上它們無(wú)法加快運(yùn)算放大器的穩(wěn)定，原因很多：現(xiàn)在我們不再采用大誤差電壓，而是將VIN限制在幾百毫伏以?xún)?nèi)，而且，輸出端的dV/dt成比例下降至約原速率的1/20。
輸出地在哪里?
似乎很少有運(yùn)算放大器用戶(hù)會(huì)關(guān)注輸出地位于何處。大多數(shù)放大器并沒(méi)有名為“輸出地”的引腳。那么，它到底在哪里?使用夏洛克·福爾摩斯的排除法，最后發(fā)現(xiàn)，它應(yīng)該是其中一個(gè)電源引腳，或者兩個(gè)都是!事實(shí)就是如此。
經(jīng)典OPA包括一個(gè)gm級(jí)，然后是一個(gè)電流鏡，其(單邊)電流被積分到片內(nèi)電容Cc，通常被稱(chēng)為“HF補(bǔ)償電容”。特征時(shí)間常數(shù)T1由商Cc/gm(和按這種方式構(gòu)建的現(xiàn)代濾波器一樣)和f1 = gm/2pCc組成。現(xiàn)在，許多OPA都使用所謂的密勒積分器(Miller Integrator)拓?fù)?，在這種拓?fù)渲校@個(gè)重要的電容通常連接在一條實(shí)際的電源線(xiàn)(在npn實(shí)施示例中，通常是VNEG)和輸出之間。所以，放大器的交流輸出基準(zhǔn)電壓源實(shí)際上就是這條電源線(xiàn)。如果它有噪聲，或由于任何原因產(chǎn)生各種其他噪聲，所有這些電壓都會(huì)出現(xiàn)在輸出端。
作者介紹：
Barrie Gilbert是IEEE終身會(huì)員、ADI研究員、美國(guó)國(guó)家工程院院士。他于1937年出生于英國(guó)伯恩茅斯，在Mullard Ltd工作時(shí)對(duì)新“晶體管”產(chǎn)生了興趣，負(fù)責(zé)研發(fā)第一代平面IC。1964年移居美國(guó)后，他加入了俄勒岡州比弗頓的Tektronix公司，在那里開(kāi)發(fā)了首個(gè)電子旋鈕讀取系統(tǒng)，并取得了與儀器相關(guān)的其它進(jìn)展。從1970年到1972年，他回到英國(guó)擔(dān)任Plessey研究實(shí)驗(yàn)室的組長(zhǎng)。1972年他擔(dān)任ADI公司的IC設(shè)計(jì)師，于1979年正式加盟ADI公司，成為第一代研究員?，F(xiàn)在，他在比弗頓擁有自己的NW實(shí)驗(yàn)室，主導(dǎo)高性能模擬IC的開(kāi)發(fā)。
因?yàn)楹喜⒕w管邏輯(后來(lái)稱(chēng)為I2L)方面的成就，他于1970年榮獲了IEEE頒發(fā)的“杰出成就獎(jiǎng)”;1986年，IEEE固態(tài)電路委員會(huì)授予他“杰出開(kāi)發(fā)獎(jiǎng)”，表彰他早期對(duì)跨導(dǎo)線(xiàn)性技術(shù)的發(fā)明。1990年，他獲得了“俄勒岡州年度研究員”獎(jiǎng)，并因“對(duì)非線(xiàn)性信號(hào)處理的杰出貢獻(xiàn)”獲得了固態(tài)電路委員會(huì)獎(jiǎng)(1992年)。他曾先后5次獲得ISSCC頒發(fā)的“優(yōu)秀論文”獎(jiǎng)，2次獲得ESSCIRC頒發(fā)的“最佳論文”獎(jiǎng)，多次獲得行業(yè)“最佳產(chǎn)品”獎(jiǎng)等;此外，他還撰寫(xiě)了大量關(guān)于模擬設(shè)計(jì)的文章，并經(jīng)常進(jìn)行演講。他在全球擁有100多項(xiàng)專(zhuān)利，并擁有俄勒岡州立大學(xué)工程榮譽(yù)博士學(xué)位。
