運(yùn)算放大器的奧秘!(深度長(zhǎng)文)
發(fā)布時(shí)間:2019-11-02 責(zé)任編輯:lina
【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”??赡苡性S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的所謂“傳統(tǒng)”單片運(yùn)算放大器中進(jìn)行選擇,這類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。我們稱這種放大器為OPA。至于其它類型,例如TZA和AFA,我們將在后續(xù)專欄中介紹。
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?它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),近乎萬(wàn)能的特性,只是一個(gè)神話嗎?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,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,我將它稱為懶人“交叉四方”,表示一種線性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,如何稱呼這種功能呢?我們將它稱為“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,與上述教科書中的觀點(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,它完全符合教科書宣稱的無(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)名稱而被過(guò)度炒作,其實(shí)這個(gè)名稱毫無(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)的觀點(diǎn)也很困難。
“虛地”毫無(wú)根據(jù)
介紹運(yùn)算放大器的書籍喜歡贊美“虛地”的優(yōu)點(diǎn),這個(gè)觀點(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。
教科書中如此解釋:因?yàn)樵鲆娣浅7浅8撸谶@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的輸入電流通常可以忽略不計(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限制在幾百毫伏以內(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?,F(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?,這個(gè)重要的電容通常連接在一條實(shí)際的電源線(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。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)專利,并擁有俄勒岡州立大學(xué)工程榮譽(yù)博士學(xué)位。
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