集成运算放大器的特性及其在音频放大器中的应用_二_开环增益特

1、 实用影音技术一 、 开环增益和闭环增益运算放大器的等效电路有好几种表示方式 , 最简单 又能说明问题的是图 1所示将差动输入的信号 (同相输入 端和反向输入端之间的输入电压差 放大 A 倍后输出的等 效电路 。 这里的 A 倍增益被称为开环增益 。用运放构成的放大电路不管是同相放大器还是反向 放大器 , 使用时在输出端与输入端之间一般都有负反馈环 路 。 设定有负反馈环路的电路增益称为闭环增益 。闭环电路的增益可以简单地用输入 -输出电阻的比值 来求得 , 求得的是开环增益 , 理想运放的开环增益应为无 穷大 。实际的运放开环增益是有限的 , 并且具有频率特性 , 实际的增益并不等于设计值

2、, 增益的大小与信号的频率有 关 。运放的开环增益在产品的数据表 (说明书 中都有规 定 , 一般都给出了标准值和最小值 。 表 1是开环增益的参 数特性举例 , 增益单位是 dB , 但有些场合也有用倍数的 。二 、 增益带宽积开环增益具有频率特性 , 在 100Hz 以下接近直流的频 率范围内最大 , 以特定的拐点频率开始 , 开环 增 益 以 -6dB/oct的 斜 率 衰 减 , 最 后 在 某 一 个 频 率 时 衰 减 至 1倍 (OdB 。 把增益为 1倍为频率称为单位增益频率 。另外 , 把 开 环 增 益 G 和 频 带 B 的 积 称 为 增 益 带 宽 积 (GB 积 ,

3、 为了方便 , 一般把 G =1的频带 (Bw 规定为增 益带宽积 。 由于是增益和带宽的乘积 , 所以例如增益带宽 积是 10MHz 的话 , 在 1MHz 时增益为 10倍 , 在 100kHz 时增 益是 100倍 , 在 10kHz 时增益是 1000倍 , 可以这样简单地 计算增益与频率的关系 。 图 2是运算放大器开环 (增益带 宽积 特性曲线的例子 。产品说明书中提供的增益带宽积都是标准值 , 一般 不提供最小值 。 因此选择运放时 , 必须根据信号的带宽选 择增益带宽积有一定富裕量的运算放大器 。三 、 相位特性如图 2所示的开环增益特性曲线那样 , 运放的传输特 性存在增益特

4、性和相位特性 。 当相位移为 180°时 , 运放 就会进入振荡状态 。 把 G =1(OdB 的频率的实际相位角 (A ° 和 180°的差值称为相位余量 。 相位余量最小也应为45°, 60°是最理想的情况 , 相位余量直接影响到电路的 稳定性 (相对于振荡的富裕量 。对于运算放大器来说 , 为了实现宽带特性 、 高速特 性 、 高增益带宽积 , 除了在运放内部电路中采取各种措 施 , 在运放的外部电路中还要接入相位补偿电路 , 为了 工作稳定还对增益做出了一些规定 。 另外 , 由于电容性 负载会引起相位特性变化 , 所以对负载的容量大小

5、也做 出了具体的规定 。四 、 有限的开环增益对电路闭环增益的影响集成运算放大器的特性 及其在音频放大器中的应用 (二 开环增益特性和增益带宽积 张 达图 1运算放大器的等效电路762010年 第 12 期 图 2开环增益特性举例众所周知 , 用运算放大器构成一个最简单的放大电 路时 , 只需外加一只输入电阻 Ri 和一只负反馈电阻 Ro 即 可构成 。 此时的电路增益 , 反相放大器的 G =-(Ro/Ri, 同相放大器的 G =1+(Ro/Ri, 这 2个公式都是以运放的开 环增益 Av 是无穷大或非常大为前提条件 。对于增益不到 10倍的低增益放大器来说 , 开环增益 的大小对电路的增益

6、没有什么影响 , 但是对于增益超过100倍的高增益放大电路来说 , 开环增益的大小对电路的 实际增益会产生影响 , 无法获得用计算公式求得的增益 值 。 在这里采用的增益的单位不是 dB , 是整倍数 。 dB 与 整倍数只见的变换公式为 :整倍数 =10(A/20式中的 A 是以 dB 为 单位的增益值 。例 如 , 把 40dB 变 换 成 增 益 倍 数 时 ,10(40/20=100倍 ; 如果增 益 为 90dB , 10(90/20=31623倍 。图 3是一个用运算 放 大 器 和 两 个 电 阻 组 成 的 简 单 的 反 相 放 大 器 , 通 常 在 计 算 该 电 路的增

7、益时都采用 G =-Ro/Ri的 计 算 公 式 。 但 是 当 考 虑 到 运 放 的 开 环 增 益 Av 并 不 是 无 穷 大 , 会 对 闭 环 增 益 造 成 影 响 , 此 时 准 确 的电 路 增益 GR 可 以 用 下 式计算 :Gr =G/(1+1+G =-Ro/Ri当 Av = 时 , Gr =G =-Ro/Ri, 与常用的公式一样 。 例 如 , 当 G =1000, Av =10000时 , Gr =1000/(1+1001/10000 909由此可知相对于设计的电路增益 G , 实际增益约降低 了 10%。图 4是一个最简单的同相放大器 。 当考虑到开环增益 不为无

8、穷大对电路闭环增益的影响时 , 准确的闭环增益 Gr 可以用下式表示 :Gr =G/(1+G =(1+Ro/Ri/1+(1+Ro/Ri /Av图 3反相放大电路 图 4同相放大电路技 术 纵 横当 Av = 时 , Gr =G =1+Ro/Ri, 与 通 常 的 计 算 一 样 。 例 如 , 当 G =200倍 , Av =10000倍 (80dB 时 , Gr = 200=196.1倍 。实际 电 路 的 增 益 只 有 196.1倍 , 比 设 计 值 200倍 约 小 2%。 2%的 误 差 不 算 大 , 也许还不及电阻引起的误差 。 但是 必须注意 , 运放的开环增益具有图 2所

9、示的频率特性 , 在 1kHz 时 G 可 达 80dB , 但是当频率增高时会变小 。 例如在图 2的 特 性 中 10kHz 的 G 只 有 60dB (1000倍 。 如果在 10kHz 时仍将电路的增益设 计为 200倍 , 此时电路的实际增益只有 166.7倍 , 误差达到 16.7%。 如果信号的 频率的更高的话 , 增益的误差会更大 。五 、 增益频率特性的考察由上面的介绍可知 , 运算放大器的 开环增益不为无穷大 , 其频率特性对电 路的增益会产生影响 , 并可以直接利用 开环增益曲线获得该放大电路的增益 。 图 5示出了利用运算放大器的开还特性 曲线求出一定增益放大器的频率特

10、性的 方法 。例如对于缓冲放大器 (G =1 来说 , 频 率 特 性 的 平 坦 部 分 一 直 可 以 延 伸 到 Av =1的 单 位 增 益 频 率 (在 图 5中 约 为 20MHz 。对于增益 40dB 的放大电路 , 开环增益曲线为 40dB 处 所对应的频率约为 200kHz , 所以 40dB 增益的放大电路的 频率特性的平坦部分可达到 200kHz 。 这是运算放大器的 基本特性 , 是不能以电路外部进行控制的 。 由于实际放大 电路的频率特性和增益都与所用运放的特性有关 , 所以在 设计放大电路时应选用特性有足够富裕量的运放 。六 、 动态特性前面提到的是与放大电路频率特性有关的特性 。 在 了解运放的特性时 , 除了频率特性还必须了解与信号振 幅电平有关的特性 。 在处理振幅电平较大的信号时必须关 注运放的大振幅信号带宽 、 转换速度和稳定时间等几项参 数 。在音频应用时 , THD +N 是一项很重要的特性 , 根据 运算放大器型号的不同 , 有的对 THD +N 特性做了 规 定 , 有的则没有 。 当说明书中提供了 THD +N 特性时 , 必须确 认该项参数的具体测试条件 。 测试条件包括增益设定 、 信 号电平和信号频率等几方面 。 由于在说明书给出的 THD + N 数值是在理想状态下得到的 , 所以实际值比厂家提供的 数值稍差一些