【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第21课时_实际运放1

电赛小编

关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。

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本节文字课程相关视频：
1. 轨至轨与运放供电
2. 运放的带宽与压摆率

理想运放将实际运放的很多参数理想化了，多数参数理想化后毫无违和感，例如开环增益、共模抑制比。但是有部分参数在一些场合不能理想化处理。实际运放和理想运放的区别主要体现在以下几点：

1) 理想运放没考虑芯片供电电压与输入输出信号幅值问题，选型实际运放时，则需要考虑这一因素。

2) 任何电路存在低通效应，所以实际运放会有带宽问题。

3) 运放虚短的假设基本没有问题，但是虚断则不一定成立。处理高内阻信号时，运放的输入电流就不能忽略。

4) 在运放产品线中，“潜伏”着一类“电流反馈型”运算放大器，它们在使用时与常规“电压反馈型”运放有许多不同。

5) 理想运放不会发生自激振荡，但是实际运放可能会振荡。

6) 任何电路都存在噪声，在高精度应用时，需要考虑定量计算运放电路的噪声大小。

对于前4个问题，即使是初学者也是有必要掌握的，否则几乎没有办法正确使用运放。而对于运放的振荡和噪声问题，则可待前面知识掌握后再学习。

1 轨至轨与运放供电

轨至轨中所谓的轨（rail），指的电源电压。轨至轨就是说器件所能承受的“输入”电压和所能产生的“输出”电压能不能达到（或是接近）电源电压。

1.1单电源运放比较器TINA仿真

过零电压比较电路是常见的一类运放用作比较器用途的应用，多数初学者会觉得没有必要使用双电源运放，所以很容易得出图1所示的“过零电压比较”电路。

1) 运放LM324采用5V单电源供电。

2) 同相端输入信号为1kHz/2V_PP的正弦波，反相端接0V。

图1 过零电压比较电路

对于图1所示电路和输入信号，期望输出的应该是0-5V幅值的50%占空比的方波（过零电压比较）。但是实际的仿真结果却是图2所示的结果：

1) V_G1正半周还算正常，但是输出电压的幅度不到5V，只有4V左右。

2) V_G1负半周则出现了问题，输出逻辑变得混乱。

图2 过零电压比较电路瞬时现象仿真

图1电路所犯的错误是，将双极性信号输入了单电源运放，运放内部电路构造决定了：

1) 输入信号的幅值“不应”超过供电电压（否则运放无法处理这么高幅值的信号）。

2) 输出信号的幅值“不会”超过供电电压（运放内部没有升压电路）。

1.2 双电源运放比较器TINA仿真

只要是单电源运放就不可能输入“双极性”信号！事实上，只有特殊设计的“轨至轨”型运放的输入输出才能“接近”供电电压，其他类型的运放的输入输出距离供电电压都还有一个不小的差值。

1) 通常我们会考虑V_CC（V_EE）电源轨，认为输入输出信号不要超过V_CC（V_EE）就好，但其实单电源供电运放的GND也是电源轨，输入输出电压的范围也不应超过GND。

2) 区分输入和输出，以及正电源轨与负电源轨，实际轨至轨运放的参数有4个。即输入轨至轨，还是输出轨至轨；是能够达到正电源轨（V_CC），还是能达到负电源轨（GND）。图2所示仿真波形中，LM324只在输出时，能够达到GND电源轨。

正确的过零电压比较电路应该使用如图3所示的双电源供电，这样仿真结果才是过零电压比较出的50%占空比方波。

图3 正确的过零电压比较电路

1.3 运放双极性输出改为单极性输出

如果图3输出的双极性方波信号要给单片机IO口处理的话，需要变为单极性方波信号，否则会损坏IO或造成未知错误。

1) 如图4所示，可以后接三极管反相器变换双极性方波为单极性。这时需将运放输入端信号的对调，用于修正三极管反相器的逻辑。

2) 仿真结果比真实情况还要理想，达到了0-5V方波输出。实际三极管反相器只能做到V_CC轨输出，无法做到GND轨输出，因为三极管存在UCES饱和管压降，无法输出0V电压。

图4 改进型过零电压比较电路

2 运放的带宽与压摆率

理想运放的带宽是无穷大，无论是什么频率的信号都“来者不惧”。而实际运放的带宽是有限的，提高运放带宽的努力不仅艰辛而且代价巨大。

2.1 运放带宽的TINA仿真

我们还是来先看一个仿真电路。图5左所示的反相比例运算电路中，理论放大倍数为-1。当输入信号V_G1为1kHz时，仿真结果（图5下）表明输出V_F1的幅值与输入信号相同，相位差180度。

图5 反相比例运算电路

将图5中V_G1输入信号分别重新设定为100kHz/200mV_PP和1MHz/200mV_PP，观察瞬时现象仿真，结果如图6所示。

1) 注意设定合适显示起止时间，以便仿真波形达到稳定（比如设定为信号1000周期以后的2个周期），并将时间轴的显示精度改写到能分辨清楚（比如4位小数）。

2) 输入信号V_G1为100kHz时（图6上），输出V_F1的幅值与输入信号基本相同，略有相移。

3) 输入信号V_G1为1MHz时（图6下），输出V_F1的幅值小于输入信号，并且产生了明显的相移。

图6反相比例运算电路的瞬时现象仿真波形

我们再来看运放电路的增益是否与带宽有关。图7所示的电路，将反相比例运算电路的放大倍数增大为10倍。为了便于与前面的1倍放大电路做比较，输出部分用分压电阻R₄和R₅又把增益降为1倍。

图7十倍增益反相放大电路

1) 1kHz的低频时（图7下），最终输出V_M1的幅值与V_G1相同，相位差180度。这个现象与图5所示1倍放大电路相同。

2) 100kHz的中频时（图8上），V_M1的幅值已经明显发生了衰减，相移明显。而图5所示的1倍放大电路在100kHz时基本没有衰减。

3) 1MHz的高频时（图8下），V_M1已经快衰减没了。

图8 十倍增益反相放大电路瞬时现象仿真图

对图7所示电路进行仿真我们得出一个结论，放大倍数会影响带宽。10倍放大电路在100kHz时的现象，与1倍放大电路在1MHz时的现象“差不多”。于是，就有了增益带宽积这个概念，即一个运放构成同类放大电路，增益和带宽的乘积近似相等（增益带宽积相等）。即运放电路放大倍数越大，其带宽越窄。

2.2 运放压摆率的TINA仿真

高带宽的运放才能用于放大高频信号（否则早衰减到渣都不剩），所以也称为高速（高频就是高速）运放。衡量运放速度还有一个参数“压摆率”（SrewRate），带宽和压摆率属于运放的同一类指标，高带宽运放的压摆率也相应会很高，反之亦然。

1) 如图9所示，同样的反相比例运算电路，选择同一信号源V_G1，将运放替换为OPA842高速运放。

图9 压摆率仿真电路

2) 如图10所示为瞬时现象仿真图（放大细节），压摆率SR的单位是V/μs，即运放的输出电压变化率可以达到每微秒变化多少伏。OPA842的压摆率高出LM324若干数量级，所以V_M2比V_M1输出响应要迅速的多（边沿陡峭）。

3) 查阅芯片说明书，可得OP842的SR典型值为250V/μs（增益带宽GBP为400MHz），LM324的SR典型值为0.4V/μs（增益带宽GBP为1.3MHz）。增益带宽与压摆率的比值符合相同变化趋势。

图10 压摆率瞬时现象仿真波形

为什么压摆率可以用于衡量运放的速度（带宽）？

1) 图10中方波信号的边沿实际包含非常高频的信号（傅里叶分解），如果能放大方波的边沿，实际上也就是能够放大高频信号。

2) 方波信号输入低带宽放大电路，典型现象就是输出变成“圆头圆脑”。这可以理解为带宽不够，也可理解为压摆率不够。

3) 示波器的探头自检校验信号只需要1kHz方波就可完成探头全带宽补偿设置。能完美再现方波，不管方波的重复频率是多少，都意味着这是高带宽电路（设备）。

欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答：

1、选择题：轨至轨运放的含义是？（  ）

A.输出信号幅值可接近正负电源轨道

B.输入信号幅值可接近正负电源轨

C.双电源供电单极性输出

D.可单电源供电实现双极性输出

2、判断以下说法是否正确：

（1）如果不需要输出负电压，则运放可单电源供电。（  ）

（2）运放电路的放大倍数越高，其带宽也越高。（  ）

（3）判断以下说法是否正确：高压摆率的运放一定是高带宽运放。（  ）

参考答案：

1.AB。

2.错误/错误/正确

春风十里

1.AB
2.错错对

secret

AB
×   ×   √

Vera

AB 错错对

青春已被氧化

1.AB

2. X X √

nbcctcs

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F F T

赵菜鸟想先飞

nbcctcs 发表于 2019-3-20 20:29
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F F T

A B
××√

copy292019

那个查器件得网址是什么？