理想的电压反馈型(VFB)运算放大器
opa836,2836 低功耗运算放大器
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OPA836 OPA2836
ZHCS019E – JANUARY 2011 – REVISED SEPTEMBER 2013
This integrated circuit can be damaged by ESD. Texas Instruments recommends that all integrated circuits be handled with appropriate precautions. Failure to observe proper handling and installation procedures can cause damage.
• 工作温度范围： -40°C 至 +125°C
宽，这些放大器为轨到轨放大器设定了一个业界领先水 平的功耗－性能比。
对于功耗十分重要的电池供电型便携式应用而 言，OPA836 和 OPA2836 的低功耗及高频性能为设 计人员提供了其他器件所无法获得的性能与功耗比。 与流耗小于 1.5μA 的节能模式组合在一起，此器件为 电池供电应用中的高频放大器提供了一款极具吸引力的 解决方案。
• 转换率：560V/μs
的电流消耗仅为 1mA，并具有 205MHz 的单位增益带
• 上升时间：3ns (2VSTEP) • 稳定时间：22ns (2VSTEP) • 过驱恢复时间：60ns
• 信噪比 (SNR)：在 1kHz (1VRMS) 时为 0.00013% (-117.6dBc)
• 总谐波失真 (THD)：在 1kHz (1VRMS) 时为 0.00003% (-130dBc)
MT-058反馈电容对VFB和CFB运算放大器的影响
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理想的电压反馈型(VFB)运算放大器
理想的电压反馈型（VFB）运算放大器
简介
运算放大器是线性设计的基本构建模块之一。
在经典模式下，运算放大器由
两个输入引脚和一个输出引脚构成，其中一个输入引脚使信号反相，另一个输
入引脚则保持信号的相位。
运算放大器的标准符号如图1 所示。
其中略去了电
源引脚，该引脚显然是器件工作的必需引脚。
图1:运算放大器的标准符号
运算放大器”的标准简称是”运放”.这一名称源于放大器设计的早期，当时运
算放大器应用于模拟计算机中。
(是的，第一代计算机是模拟的，不是数字的。
)当这种基础放大器与几个外部元件配合使用时，可以执行各种数学”运算”,如加、
积分等。
模拟计算机的主要用途之一体现在第二次世界大战期间，当时，它们
被用来绘制弹道轨迹。
有关运算放大器的历史，请看参考文献2.
理想的电压反馈(VFB)模型
理想的电压反馈(VFB)运算放大器经典模型具有以下特征：
1. 输入阻抗无穷大
2. 带宽无穷大
3. 电压增益无穷大
4. 零输出阻抗
5. 零功耗
虽然这些并不现实，但这些理想标准决定着运算放大器的质量。
这就是所谓的电压反馈(VFB)模型。
这类运算放大器包括带宽在10 MHz 以下的几乎所有运算放大器，以及带宽更高的运算放大器的90%.电流反馈(CFB)是。
理想的电压反馈型(VFB)运算放大器
参考文献：
1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1. Also available as Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 9780750687034. Chapter 1 Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1.
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图3所示为反相配置。在该电路中，输出与输入反相。该电路的信号增益取决于所用电阻 的比值，计算公式为： 等式
SUMMING POINT RG RF
G = VOUT/VIN = - RF/RG VIN OP AMP
VOUT
图3：反相模式的运算放大器级
图4所示为同相配置。在该电路中，输出与输入同相。该电路的信号增益同样取决于所用 电阻的比值，计算公式为： 等式
VA =
RG VOUT R + RF G
等式
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运算放大器的负反馈行为会使差分电压变成0，因此
VA = VIN
经过简单的算术运算可得：
等式
等式
与等式2相同。 在上述讨论中，我们把增益设置元件称为电阻。事实上，它们是阻抗，而不仅仅是电阻。这 样，我们可以构建依赖于频率的放大器。对于这个问题，我们将在以后的教程中详细讨论。
理想运算放大器特点
理想运算放大器特点
集成运算放大器，简称运放。
三端元件（双端输入、单端输出的电路结构），抱负三极管，高增益直流放大器。
抱负运算放大器（有时简称运放）的特点如下：
（1）极大的输入电阻
高输入阻抗，输入端流入电流近于0，几乎不取用信号源电流，近于电压掌握特性，从而导出“虚断”概念；
（2）微小的输出电阻
具有（在负载力量以内）不挑负载，适应任意负载的特性。
后级负载电路的阻抗大小不会影响到输出电压。
（3）无穷大的电压放大倍数（可达百万或千万倍）。
这就打算了：在肯定供电电压条件下，放大器仅能工作闭环（负反馈）模式下，且实际的放大倍数是有限的；开环模式即为比较器状态，输出为高、低电平二态。
在闭环（有限放大倍数）状态下，放大器的脾性是随机比较两输入端的电位凹凸，不等时输出级即时做出调整动作，放大的最终目的，是使两输入端电位相等（其差为0V），从而导出“虚短”概念。
其实，在放大过程中，是在进行着“放大不离比较，比较不离放大”动态平衡的调整。
整个模拟电路教程，在高校或高职高专的正统教学规程上，其内容相当浩大，而学习难度尤高，尤其牵涉太多的高等数字运算，因而学习
运算电路，被相当多的学子视为畏途，更有人将模拟电路称之为“魔电”，越学越晕，导致不能学以致用。
以我本人几十年来对电子电路的原理把握和实践应用阅历为据，写就该章。
就我看来，整个运放电路的应用，假如用3个课时来解决掉，把握原理和检修方法，一步到位修运放电路，是完全可以实现的。
电压反馈型运算放大器的增益和带宽
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R1
+
+
IN
B
R1
C
R2
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环路增益 开环增益与闭环增益之差称为环路增益，如图3所示。环路增益给出了可以在给定频率下 施加于放大器的负反馈量。
GAIN dB
OPEN LOOP GAIN
LOOP GAIN
CLOSED LOOP GAIN
NOISE GAIN
fCL
LOG f
LOG f
图5：增益带宽积
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例如，如果有这样一个应用，要求闭环增益为10，带宽为100 kHz，则需要一个最低增益带宽 积为1 MHz的运算放大器。但这有点把问题过度简单化了，因为增益带宽积变化极大，而且在 闭环增益与开环增益相交的位置，响应实际上要低3 dB。另外，还应该允许一定的额外余量。 在上述应用中，增益带宽积为1 MHz的运算放大器是最低要求。保险起见，为了实现要求的 性能，因数至少应该是5。因此选择了增益带宽积为5 MHz的运算放大器。 稳定性标准 反馈稳定性理论认为，闭环增益必须在不大于6 dB/8倍频程(单极点响应)的斜率下与开环增 益相交，才能使系统实现无条件稳定。如果响应为12 dB/8倍频程(双极点响应)，则运算放 大器会发生振荡。简单起见，不妨这样设想，每个极点增加90°相移。两个极点则会产生 180°的相移，而180°的相移会使负反馈变成正反馈，即振荡。 那么问题是：为什么要用单位增益下不稳定的放大器呢？答案是，对于给定的放大器，如 果该放大器设计时未考虑单位增益稳定性，则可在较高增益下提高带宽。这类运算放大器 有时被称为非完全补偿运算放大器。然而，仍需满足稳定性标准，即闭环增益必须在6 dB/8倍频程(单极点响应)的斜率下与开环增益相交。否则，放大器将会振荡。因此，非完 全补偿运算放大器仅在数据手册中规定的较高增益下保持稳定。 举例来说，不妨比较图6中的开环增益图。图中的三种器件，AD847、AD848 和 AD849基 本上采用相同的设计，只是内部补偿机制不同。AD847为单位增益稳定型，规定增益带宽 为50 MHz。AD848在增益为5或以上时保持稳定，其增益带宽为175 MHz。AD849在增益为 25或以上时保持稳定，其增益带宽为725 MHz。由此可见，在基本设计相同的情况下，可 以通过修改运算放大器的内部补偿机制来产生不同的增益带宽积，其为最低稳定增益的函 数。
理想运算放大器的分析与应用
运算放大器能够实现多种信号处理功能，如加减 运算、积分、微分、滤波等，广泛应用于模拟电 路中的信号处理环节。
电路平衡
运算放大器在电路中起到平衡作用，能够减小电 路中元件参数对输出信号的影响，提高电路的稳 定性。
信号放大与处理
电压放大
01
运算放大器能够将微弱的输入电压信号放大到所需的幅度，广
泛应用于传感器信号的放大和处理。
电流放大
02
运算放大器也可以将微弱的输入电流信号转换成电压信号，实
现电流的放大和处理。
滤波
03
通过在运算放大器电路中加入适当的RC或LC元件，可以实现低
通、高通、带通和带阻滤波器，对信号进行滤波处理。
信号源与比较器
信号源
运算放大器可以作为信号源使用，通 过反馈和正反馈电路，产生方波、三 角波、正弦波等波形。
音频信号放大
理想运算放大器具有高放大倍数和低失真特性，可用于放大微弱的 音频信号，如麦克风输入的信号。
音频信号滤波
理想运算放大器可以与RC电路配合使用，实现低通、高通、带通和 带阻滤波器，对音频信号进行滤波处理。
音频信号比较
理想运算放大器可以用于比较两个音频信号的幅度，例如用于音量控 制或音频切换。
当输入信号过大时，输出电压会达到电源电压， 导致输出信号失真。
截止失真
当输入信号过小或为零时，输出电压会接近零， 导致输出信号失真。
双向限幅失真
当输入信号在一定范围内变化时，输出电压会在 电源电压和零之间变化，导致输出信号失真。
频率响应分析
低频增益
低频增益是指运算放大器在低频时的电压增益。低频增益越高， 运算放大器的低频性能越好。
带宽增益乘积
带宽增益乘积是指运算放大器的带宽和增益的乘积。带宽增益乘积 越大，运算放大器的高频性能越好。
《理想运算放大器》课件
理想运算放大器的输出阻抗极 小，可以输出电流信号。
无相位差
无噪声
理想运算放大器没有相位差，可以精确放大信号。
理想运算放大器在放大信号时不会引入任何噪声。
理想运算放大器模型
输入电压
理想运算放大器可以接 受任何输入电压信号。
输入电流
理想运算放大器的输入 电流非常小，几乎可以 忽略不计。
输出电压
理想运算放大器可以输 出经过放大的电压信号。
输出电流
理想运算放大器可以输 出电流信号。
理想运算放大器的应用
1 加法器
2 减法器
使用理想运算放大器可以将多个输入信号相加。
使用理想运算放大器可以将一个输入信号减去另 一个输入信号。
3 非反相比例放大器
4 反相比例放大器
使用理想运算放大器可以放大非反相的输入信号。
使用理想运算放大器可以放大反相的输入信号。
5 低通滤波器
使用理想运算放大器可以滤除高频信号。
6 高通滤波器
使用理想运算放大器可以滤除低频信号。
理想运算放大器与现实运算放大器的差异
1
实际运算放大器的输入阻抗不是无
2
限大的
现实运算放大器的输入阻抗会有一定的限制。
3
实际运算放大器的相位差不是零
4
现实运算放大器的相位差是存在的。
5
实际运算放大器的增益不是完美的
理想运算放大器在电子电路中有广 泛的应用。
现实运算放大器与理想运算 放大器有很大的差别，但它 们仍然非常有用
虽然现实运算放大器与理想运算放 大器存在差异，但它们仍然在实际 应用中发挥着重要作用。
现实运算放大器的增益会受到一些限制。
实际运算放大器的输出阻抗不是无 限小的
模拟电路 电压反馈 VFB— MT-060
MT-060TUTORIAL Choosing Between Voltage Feedback (VFB)and Current Feedback (CFB) Op AmpsThe application advantages of current feedback and voltage feedback differ. In many applications, the differences between CFB and VFB are not readily apparent. Many of today's high speed CFB and VFB amplifiers have comparable performance, but there are certain unique advantages and disadvantages associated with each. This tutorial examines some of the important considerations associated with the two topologies.DC AND OPERATIONAL CONSIDERATIONS FOR VFB AND CFB OP AMPSVFB Op Amps•For precision low frequency applications requiring high open-loop gain, low offset voltage, and low bias current, the VFB op amp is the proper choice. Input offset voltages of high speed bipolar input VFB op amps are rarely trimmed, since offset voltage matching of the input stage is excellent, typically ranging from 1 to 3 mV, with offset temperature coefficients of 5 to 15µV/°C. With trimming, input offset voltages of less than 20 µV are achievable. Op amps which use the auto-zero architecture offer offset voltages less than 5 µV, but will not be considered here. The auto-zero op amp is covered in Tutorial MT-055. •Input bias currents on VFB op amps (with no input bias current compensation circuits) are approximately equal for (+) and (–) inputs, and can range from 1 to 5 µA. FET input op amps are available with input bias currents less than 200 fA, suitable for applications such as electrometers. (e.g., AD549).•The output offset voltage due to the input bias currents can be nulled by making the effective source resistance equal in both the inverting and non-inverting inputs. This scheme will not work with bias-current compensated VFB op amps which have additional current generators on their inputs. In this case, the net input bias currents are not necessarily equal or of the same polarity.•The VFB op amp is very useful in applications where the feedback network controls the overall response, such as in active filter applications. Some VFB op amps, however, are de-compensated and must be used above the specified minimum closed-loop gain.•The simplified model for the VFB op amp is well understood and is presented in all analog electronic textbooks.•The VFB architecture lends itself to low supply voltage applications where rail-to-rail inputs and outputs are required.CFB Op Amps•Current feedback (CFB) op amps, on the other hand, are less well understood and documented. Many designers choose VFB op amps simply because they understand them better.•CFB op amps generally have lower open-loop gain and less accuracy than a precision VFB op amp.•The input impedance of the inverting and non-inverting inputs of CFB op amps are not equal, and CFB op amps generally have unequal and uncorrelated input bias currents because the (+) and (–) inputs have completely different architectures. For this reason, external bias current cancellation schemes are also ineffective. CFB input bias currents range from 5 to 15 µA, being generally higher at the inverting input.•Because CFB op amps are geneally optimized for a fixed feedback resistor value, there is little flexibility in the feedback network other than setting the closed-loop gain. This makes CFB op amps unsuitable for most active filters, except for the Sallen-Key filter which can be designed with the appropriate fixed feedback resistor. Figure 1 summarizes the dc and operational considerations for VFB and CFB op amps.•The CFB architecture does lend itself to rail-to-rail inputs and outputs.VFB Op Ampsz High open loop gain and DC accuracyz Low offset voltage available (<20 µV)z Low bias current (JFET, CMOS, or bias current compensation) available (<200 fA)z Balanced input impedancez Flexible feedback networkz Rail-to-rail inputs and outputs availableCFB Op Ampsz Lower open loop gain and DC accuracyz Higher offset voltagez Inverting input impedance is low, non-inverting input impedance is highz Input bias currents not as low as VFB or as well matchedz Fixed feedback resistor needed for optimum performanceFigure 1: DC and Operational Considerations for VFB and CFB Op AmpsAC CONSIDERATIONS FOR VFB AND CFB OP AMPSVFB Op Amps• A distinguishing feature of VFB op amps is that they offer a constant gain-bandwidth product over a wide frequency range.•In addition, high bandwidth, high slew rate, low distortion VFB op amps are available which use the "H-Bridge" architecture for low quiescent current (Tutorial MT-056).•VFB op amps are good for all types of active filter architectures because of the flexibility of the feedback network.CFB Op Amps•The CFB topology is primarily used where the ultimate in high bandwidth high slew rate, and low distortion are required. A more detailed discussion of CFB op amp ac characteristics can be found in Tutorial MT-057.•For a given complementary bipolar IC process, CFB generally yields higher FPBW (hence lower distortion) than VFB for the same amount of quiescent supply current. This is because there is practically no slew-rate limiting in CFB. Because of this, the full power bandwidth and the small signal bandwidth are approximately the same. However, the "H-Bridge"architecture used in high speed VFB op amps almost the same level of performance as CFB op amps (Tutorial MT-056).•Unlike VFB op amps, the inverting input impedance of a CFB op amp is very low. This is advantageous when using the op amp in the inverting mode as an I/V converter, because there is less sensitivity to inverting input capacitance than with VFB.•The closed-loop bandwidth of a CFB op amp is determined by the value of an internal capacitor and the external feedback resistor and is relatively independent of the gain-setting resistor (the resistor from the inverting input to ground). This makes CFB op amps ideal for programmable gain applications which require a gain-independent bandwidth.•Because CFB op amps must operate with a fixed feedback resistor for optimum stability, they have limited applications as active filters, other than the Sallen-Key filter.•Small values of stray capacitance across the feedback resistor in a CFB op amp are likely to cause instability.VFB Op Ampsz Constant gain-bandwidth productz High slew rate and high bandwidth availablez Low distortion versions availablez Flexible feedback networkz Good for active filtersCFB Op Ampsz Bandwidth relatively constant for various closed-loop gainsz Gain-bandwidth product is not constantz Slightly higher slew rate and bandwidth available for givenprocess and power dissipation (compared to VFB)z Low distortion versions availablez Fixed feedback resistor for optimum performancez Stray feedback capacitance causes instabilityz Difficult to use in active filters other than Sallen-Keyz Low inverting input impedance reduces effects of inputcapacitance in I/V converter applicationsFigure 2: AC Considerations for VFB and CFB Op AmpsNOISE CONSIDERATIONS FOR VFB AND CFB OP AMPSVFB Op Amps•Precision VFB op amps are available with input voltage noise less than 1 nV/√Hz. Most JFET or CMOS input VFB op amps have input current noise less than 100 fA/√Hz, with some less than 1 fA/√Hz. However, the total output noise depends not only on these values but the closed-loop gain and the actual values of the feedback resistors (Tutorial MT-049). •For a VFB op amp, the inverting and non-inverting input current noise are typically equal, and almost always uncorrelated. Typical values for wideband bipolar VFB op amps range from 0.5 pA/√Hz to 5 pA/√Hz. The input current noise of a bipolar input stage is increased when input bias-current compensation generators are added, because their current noise is not correlated, and therefore adds (in an rss manner) to the intrinsic current noise of the bipolar stage. However, bias current compensation is rarely used in high speed op amps.CFB Op Amps•The input voltage noise in CFB op amps tends to be lower than for VFB op amps having the same approximate bandwidth. This is because the input stage in a CFB op amp is usually operated at a higher current, thereby reducing the emitter resistance and hence the voltage noise. Typical values for CFB op amps range from about 1 to 5 nV/√Hz.•However, the input current noise of CFB op amps tends to be larger than for VFB op amps because of the generally higher bias current levels. The inverting and non-inverting current noise of a CFB op amp is usually different because of the unique input architecture, and are specified separately. In most cases, the inverting input current noise is the larger of the two.Typical input current noise for CFB op amps ranges from 5 to 40 pA/√Hz. This can often be dominant, except in cases of very high closed-loop gain where the voltage noise can become dominant.The best way to make the noise calculations is to write a simple computer spreadsheet program that performs the calculations automatically, and include all the noise sources. The equation discussed in Tutorial MT-049 can be used for this purpose.VFB Op Ampsz Low voltage noise ( < 1 nV/√Hz) availablez Low current noise available (JFET and CMOS inputs)z Inverting and non-inverting input current noise equal and uncorrelatedz Feedback network and external resistor values must be considered to determine total noiseCFB Op Ampsz Low voltage noise (1 to 5 nV/√Hz)z Higher current noise (5 to 40 pA/√Hz) often dominatesz Feedback network and external resistor values must be considered to determine total noiseFigure 3: Noise Considerations for VFB and CFB Op Amps SUMMARYFor most general purpose or high precision low frequency, low noise applications, the VFB op amp is usually the best choice. VFB op amps also work well in single-supply applications because many are available with rail-to-rail inputs and outputs.The VFB op amp has a very flexible feedback network, and is therefore suitable for active filter designs.The CFB op amp offers the ultimate in bandwidth, slew rate, and distortion performance at the expense of dc performance, noise, and the requirement for a fixed value feedback resistor. Applications of CFB op amps in active filters are limited to non-inverting configurations such as the Sallen-Key.Choose VFB Op Amps forz High precision, low noise, low bandwidthz Rail-to-rail inputs and outputsz Flexibility in feedback networkz Active filtersChoose CFB Op Amps forz Ultra high bandwidth, slew rate, and lowest distortionz Relatively constant bandwidth for different gainsz Sallen-Key active filterFigure 4: Summary—VFB vs. CFB Op AmpsREFERENCES1.Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1. Also available asLinear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 978-0750687034. Chapter 1.2.Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as OpAmp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1.Copyright 2009, Analog Devices, Inc. All rights reserved. Analog Devices assumes no responsibility for customer product design or the use or application of customers’ products or for any infringements of patents or rights of others which may result from Analog Devices assistance. All trademarks and logos are property of their respective holders. Information furnished by Analog Devices applications and development tools engineers is believed to be accurate and reliable, however no responsibility is assumed by Analog Devices regarding technical accuracy and topicality of the content provided in Analog Devices Tutorials.。
理想运算放大器内部电压之间的关系
理想运算放大器内部电压之间的关系理想运算放大器是一种电子放大器，用于放大差分输入信号。
在理想运算放大器中，内部电压之间的关系非常重要，因为这些关系决定了放大器的性能和功能。
首先，让我们来看看理想运算放大器的基本结构。
理想运算放大器由一个差分输入阶段和一个共模放大阶段组成。
差分输入阶段由两个输入端和一个共源端组成。
当差分输入信号加到两个输入端时，输出信号是两个输入信号的差值的放大倍数。
共模放大阶段用于将输出信号的共模部分增大，以提高放大器的性能。
在理想运算放大器中，内部电压之间的关系可以通过以下公式来描述：1.输入电压和输出电压之间的关系理想运算放大器的输入和输出电压之间的关系可以用以下公式来描述：Vout = A * (V+ - V-)端的电压，A表示放大倍数。
根据这个公式，当A大于1时，输入信号会被放大，当A等于1时，输入信号不会被放大，当A小于1时，输入信号会被缩小。
2.输入电压之间的关系理想运算放大器的输入端是一个差分输入结构，因此正输入端和负输入端之间的关系可以用以下公式来描述：Vd = V+ - V-其中Vd表示差分输入电压。
当V+大于V-时，Vd为正值，说明正输入端的电压高于负输入端的电压；当V+小于V-时，Vd为负值，说明正输入端的电压低于负输入端的电压；当V+等于V-时，Vd为零，说明两个输入端的电压相等。
3.输出电压和输入电流之间的关系理想运算放大器的输出电压和输入电流之间的关系可以用以下公式来描述：Vout = -A * (I+ - I-)输入端的输入电流，A表示放大倍数。
根据这个公式，当A大于0时，输入电流会被转换为负输出电压，当A小于0时，输入电流会被转换为正输出电压。
4.输出电压和负载电阻之间的关系理想运算放大器的输出电压和负载电阻之间的关系可以用以下公式来描述：Vout = -A * (I+ - I-)其中Vout表示输出电压，Rload表示负载电阻，Iload表示负载电阻的输入电流。
理想运算放大器
“虚短”（或“虚地”）和“虚断”是两个矛盾的概 念，但对于一个理想的运算放大器是必须同时满足 的。当然，理想运算放大器实际上是不存在的。但 是在一定的使用条件下，一个实际的运算放大器一 般都能很好地近似为一个理想的运算放大器。所以 今后讨论的运算放大器一般都是指理想的运算放大 器，它的符号如下图所示：
理想运算放大器
理想运算放大器
由于常用的运算放大器的输入电阻Ri很大，输出电 阻Ro很小，开环增益非常大，所以常把它看作为理 想的运算放大器。 所谓理想的运算放大器是指具有下列参数的放大器： Ri≈∞ Ro≈0 A≈∞
理想运算放大器
理想运算放大器的特点是： 虚短 由于A≈∞而输出电压vo为有限值，所以 vi=vo/A≈0 上式意味着vi=vb-va≈0，即反相输入端对地电压与 同相输入端对地电压几乎相等，此时两个输入端 之间可近似看作短路（简称为虚短），而在同相 输入端接地的情况下，反相输入端与地几乎同电 位（简称为虚地)。 虚断 由于Ri≈∞，所以输入电流接近于零。此时， 输入端可近似看作断路（即开路，简称为虚断)。
理想运算放大器的主要参数
理想运算放大器的主要参数
理想运算放大器是一种具有高增益、带深度负反馈的直接耦合放大器，其主要参数包括：- 开环电压增益Avo：没有反馈的设备增益，理想情况下为无限大。
- 输入电阻ri：指运算放大器在输入级提供的阻抗，理想情况下为无限大。
- 输出电阻ro：指运算放大器在输出级提供的阻抗，理想情况下为零。
- 开环带宽BW：放大器的带宽称为频率范围，理想情况下为无限大。
- 失调电压：指输入端子之间的差分直流电压，理想情况下为零。
- 摆率：如果输入信号有阶跃变化，则运算放大器的摆率是输出信号的变化率，单位是V/ms。
理想情况下为零，意味着输入更改将立即反映在输出中。
这些参数对于理解和设计运算放大器电路至关重要。
在实际应用中，需要根据具体需求和应用场景选择合适的运算放大器，并注意其参数的限制和影响。
vfb与cfb运放用法
vfb与cfb运放用法运放（Operational Amplifier，简称Op Amp）是一种广泛应用于电子电路中的集成电路元件。
它具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，被广泛应用于信号放大、滤波、比较、积分等电路中。
在运放的应用中，VFB（Voltage Feedback）和CFB（Current Feedback）是两种常见的反馈方式。
VFB运放是指将运放的输出信号通过电阻网络反馈到运放的负输入端，从而控制运放的放大倍数。
这种反馈方式常用于放大电路中，可以实现不同的放大倍数。
在VFB运放中，输出信号经过电阻网络反馈到负输入端，形成一个反馈回路。
通过调整反馈电阻的大小，可以改变运放的放大倍数。
当反馈电阻较大时，运放的放大倍数较小；反之，当反馈电阻较小时，运放的放大倍数较大。
这种方式可以灵活地调整电路的增益，适应不同的应用需求。
CFB运放是指将运放的输出信号通过电流采样电阻反馈到运放的负输入端，从而控制运放的放大倍数。
这种反馈方式常用于高速运算放大器和电流放大器中。
在CFB运放中，输出信号经过电流采样电阻反馈到负输入端，形成一个反馈回路。
通过调整电流采样电阻的大小，可以改变运放的放大倍数。
当电流采样电阻较大时，运放的放大倍数较小；反之，当电流采样电阻较小时，运放的放大倍数较大。
这种方式可以实现高速运算和高精度的电流放大。
VFB和CFB运放在实际应用中各有优势。
VFB运放具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，适用于需要较高输入阻抗和较低输出阻抗的应用场合。
它在放大电路中应用广泛，可以实现不同的放大倍数，适应不同的信号处理需求。
CFB运放具有较高的带宽和较低的噪声，适用于高速运算和高精度的应用场合。
它在高速运算放大器和电流放大器中应用广泛，可以实现高速运算和高精度的信号处理。
总之，VFB和CFB运放是两种常见的运放反馈方式。
它们在电子电路中具有重要的应用价值。
VFB运放适用于放大电路，可以实现不同的放大倍数；CFB运放适用于高速运算和高精度的应用，可以实现高速运算和高精度的信号处理。
运算放大器之开环增益
运算放大器之开环增益大多数电压反馈(VFB)型运算放大器的开环电压增益(通常称为AVOL，有时简称 AV)都很高。
常见值从100000到1000000，高精度器件则为该数值的10至100倍。
有些快速运算放大器的开环增益要低得多，但是几千以下的增益不适合高精度应用。
此外还要注意，开环增益对温度变化并不高度稳定，同一类型的不同器件也会存在极大差异，因此，增益值必须很高。
电压反馈运算放大器采用电压输入/电压输出方式工作，其开环增益为无量纲比，所以不需要单位。
但是，数值较小时，为方便起见，数据手册会以V/mV 或V/μV代替V/V表示增益，电压增益也可以dB 形式表示，换算关系为dB = 20×logAVOL。
因此，1V/μV的开环增益相当于120 dB，以此类推。
电流反馈(CFB)型运算放大器采用电流输入和电压输出，因此，其开环跨导增益以V/A或Ω(或kΩ、MΩ)表示。
增益值通常介于几百kΩ与几十MΩ之间。
根据基本反馈原理，为了保持精度，精密放大器的直流开环增益AVOL必须很高。
通过检查闭环增益公式就能发现这点，该公式包含由有限增益引起的误差。
包含有限增益误差的闭环增益公式如下：其中，β是反馈环路衰减，也称反馈因子(反馈网络的电压衰减)。
噪声增益等于1/β，因此，该公式还可以其它形式表示。
将公式右端两项合并，把NG(噪声增益)代入，可得到如下公式：公式1和2是等效的，两者均可使用。
如前所述，噪声增益(NG)只是从与运算放大器输入串联的小电压源获得的增益，是同相模式下的理想放大器信号增益。
如果公式1和2中的AVOL无限大，闭环增益就和噪声增益1/β完全相等。
但是，由于NG <>注意，公式3中的百分比形式增益误差直接与噪声增益成比例(即噪声增益较小时增益误差也较小)，因此，有限AVOL对低增益的影响较小。
一些示例可以说明上述增益关系的要点。
〖开环增益不确定性〗下图1中，第一个示例中噪声增益为1000，可以看出，开环增益为200万时，闭环增益误差约为0.05%。
理想运算放大器工作
理想运算放大器工作
理想运算放大器（Ideal Operational Amplifier，简称理想运放）是一种虚构的电子元件，它被广泛应用于电子电路设计中。
理想
运放的特点是电压增益无限大、输入阻抗无限大、输出阻抗为零、无
限大的带宽和无限大的公共模抑制比。
在理想情况下，理想运放可以被用于各种应用中。
例如，在放大
器电路中，理想运放可以被用来放大电压信号，从而实现信号放大。
在比较器电路中，理想运算放大器可以被用作一个非常高速的比较器，用于比较两个电压大小。
理想运放的原理是利用微调电路来达到以上特性。
在实际的电路
设计中，理想运放并不存在，但是经过一定的调整和设计，我们可以
将实际运放的性能趋近于理想运放的性能。
理想运放通常有三个输入端，两个输入分别为非反馈输入端和反
馈输入端，还有一个输出端。
其中非反馈输入端一般对应于运放的+输
入端，反馈输入端对应于-输入端。
在运放电路中，负反馈电阻网络可以用来控制电路的输出，从而
使其达到特定的增益。
理想情况下，理想运放的输出电压可以通过此
公式来计算： Vout = A (V+ - V-) ，其中A为电压增益。
如果A趋
近于无限大，那么我们可以得到理想运放的输出电压非常高，甚至可
以使运放输出电压达到电源电压的极限。
总之，理想运算放大器是实际运算放大器的理论基础，有着非常
广泛的应用。
通过对理想运放的研究和应用，我们可以更好地设计实
际电路，从而实现电路的增益、比较等各种功能。
《运算放大器反馈》PPT课件
三、电压反响和电流反响
电压反响 — 反响信号取自输出电压的局部或全部。
判别法：使 uo = 0 (RL 短路)，
假设反响消失那么为电压反响。
io
A
RL uo
A
RL uo
电压
F
反馈
电流
F io 反馈
电流反响 — 反响信号取自输出电流。 判别法：
电压负反响：可以稳定输出电压、减小输出电阻。
电流负反响：可以稳定输出电流、增大输出电阻。
10.3.2.3 串联电流负反响
+ ui –
u+–d R2
– +
+
io
uoBiblioteka RL+R –uf
设输入电压 ui 为正，
各电压的实际方向如图
差值电压 ud =ui – uf uf 削弱了净输入电压 (差值电压) ——负反响
取自输出电流 ——电流反响
反响信号与输入信号在不同端口
——串联反响
特点：输出电流 io 与负载电阻RL无关
— 闭环
反馈网络
反响放大电路的方框图
净输入信号
X i + 输入信号 X–f
Xd 基本放大 Xo
电路A
输出信号
反响信号
反馈 电路F
反响系数
反响放大电路的三个环节：
根本放大电路
A
X o X d
反响电路
F
X f X o
放大倍数 比较环节 X dX iX f
反响放大电路的方框图
X i + X– f
Xd 基本放大 Xo
在起反响作用的电阻两端并联旁路电容，可 以使其只对直流起作用。
作用:直流反响稳定Q点,交流反响改善特性
运算放大器基础
运算放大器基础2009-9-9 9:33:00 【文章字体：大中小】推荐收藏打印运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。
常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站。
理想的运放理想的运放如图1所示。
通过电阻元件(或者更普遍地通过阻抗元件)施加的负反馈可以产生两种经典的闭环运放配置中的任何一种：反相放大器(图2)和非反相放大器(图3)。
这些配置中的闭环增益的经典等式显示，放大器的增益基本上只取决于反馈元件。
另外，负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。
电压反馈(VFB)运放电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样，它们的输出电压是两个输入端之间电压差的函数。
为设计用途，电压反馈运放的数据表定义5种不同的增益：开环增益(AVOL)、闭环增益、信号增益、噪声增益和环路增益。
负反馈可以改变AVOL 的大小。
对高精度放大器来说，无反馈运放的AVOL值非常大，约为160dB或更高(电压增益为10,000或更高)。
图1：理想的运放。
A VOL 的范围很大，在数据表中它通常以最小/最大值给出。
AVOL还随着电压电平、负载和温度的变化而变化，但这些影响都很小，通常可以忽略不计。
当运放的反馈环路闭合时，它可以提供小于AVOL的闭环增益。
闭环增益有信号增益和噪声增益两种形式。
信号增益(A)指输入信号通过放大器产生的增益，它是电路设计中头等重要的增益。
下面给出了电压反馈电路中信号增益的两个最常见的表达式，它们被广泛用在于反相和同相运放配置中。
图2：反相放大器(a)和非反相放大器(b)是两种经典的闭环运放配置。
对于反相放大器，A = -Rfb /Rin对于同相放大器，A = 1 + Rfb /Rin其中，Rfb 是反馈电阻，Rin是输入电阻。
噪声增益指运放中的噪声源增益，它反映了放大器的输入失调电压和电压噪声对输出的影响。
ADI运算放大器选型指南
2011–2012
和内设含计产公品式选插型页
/zh/opamps
/zh/opamps | 1
ADI公司为每种应用都准备了合适的放大器
为什么会有如此之多不同类型的运算放大器？ADI公司的工程师 坚持不懈地追寻令人捉摸不定的理想运算放大器，虽然我们离实 现它仅几步之遥，但遗憾的是，它仍然只存在于书本中。因此， 我们致力于提供类型广泛的运算放大器，来满足客户的众多不同 需求。
工作电源电压范围 放大器在额定范围内工作时，能够施加于放大器的电源电压范 围。许多应用的运算放大器电路采用平衡的双电源，但有些应用 出于节能或其它原因而使用单电源。例如，汽车和轮船设备中的 电池电源仅提供一个极性。甚至线路供电的设备，如计算机等， 也可能只有单极性电源，为系统提供+5 V或+12 V直流电源，或者 低至1.8 V，较新的应用使用的电压甚至更低。
• 自稳零运算放大器：<1 µV • 精密运算放大器：50 µV至500 µV • 最佳双极性运算放大器：10 µV至25 µV • 最佳JFET输入运算放大器：100 µV至1000 µV • 最佳双极性高速运算放大器：100 µV至2000 µV • 未调整的CMOS运算放大器：>2 mV • DigiTrim® CMOS运算放大器：<100 µV至1000 µV
精密放大器 (带宽 < 50 MHz)
电流反馈...................................................... . . . . . . . 36
零漂移... . . . . . . . . . . . . . . . . . ....................................... ..... 10 高输出电流................................................... . . . . . . . 37
理想运算放大器
理想运算放大器可以构成比较器，用于对 两个输入信号进行比较，输出相应的逻辑 电平。
当前存在问题和挑战
非线性失真
实际运算放大器由于存在非 线性元件，如晶体管和二极 管等，会导致输出信号产生 失真。
噪声干扰
频率响应限制
功耗问题
实际运算放大器内部存在噪 声源，如热噪声和闪烁噪声 等，会对输出信号造成干扰。
电流流入运算放大器的同相输入端。
电压跟随
02
输出电压与同相输入电压成正比，且比例系数为1，实现电压跟
随功能。
相位相同
03
输出电压与同相输入电压的相位相同。
反相输入电路分析
01 02
虚短和虚断
由于运算放大器的开环增益非常高，反相输入电路中的两个输入端可以 近似看作等电位点（虚短），且流入运算放大器的电流几乎为零（虚 断）。
补偿措施及优化方法探讨
频率补偿
通过引入负反馈或采用超前-滞后补 偿网络，改善放大器的频率响应特性， 提高带宽。
输入阻抗提高
采用高输入阻抗的运算放大器或引入 电压跟随器，减小输入阻抗对电路的 影响。
输出阻抗降低
在输出端并联电阻或采用共集电极电 路，降低输出阻抗，提高带负载能力。
失真抑制
选用低失真运算放大器、合理设置静 态工作点、采用负反馈等措施，减小 失真对信号质量的影响。
失真
实际运算放大器存在失真，如 谐波失真、交越失真等。
实际运算放大器与理想差异分析
有限带宽
限制信号放大范围， 可能引发信号失真。
非零输出阻抗
在输出端产生电压 降，影响负载上的 电压幅度。
有限开环增益
导致闭环增益误差， 影响放大精度。
有限输入阻抗
影响电路输入端的 电压分配，降低放 大效果。
MT-056高速电压反馈运算放大器
等式11 现在，我们必须考虑电路中的大信号响应。压摆率SR就是总的可用充电电流IT/2，再除以 主极点电容CP。对于现在考虑的示例： 等式12
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等式13 现在，可以通过以下公式计算运算放大器的全功率带宽(FPBW)： 等式14 其中，A是输出信号的峰值幅度。如果假设存在2 V峰峰值输出正弦波(这无疑是高速应用的 一个合理假设)，则可得到仅为4 MHz的FPBW，即使小信号单位增益带宽积为153 MHz！ 对于2 V峰峰值输出正弦波，失真发生的频率远远低于实际FPBW频率。我们必须将SR提高 约40倍，以使FPBW等于153 MHz。唯一方法是将输入差分对的尾电流IT提高相同的倍数。 这意味着，要实现 160 MHz 的 FPBW ，则需要 4 mA 的偏置电流。我们的假设是， C P为一
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+
v -
+
gm
i = v • gm X1
vOUT
vin R1 fO
CP
RT
NOISE GAIN = G = 1+ R2 R1
R2 fO = fu = 6dB/OCTAVE f
CL = 1
AO
2π R C P
gm
T
2π C P fu
1 + R2 R1 =
fu
G
1+
a
X1
v out
v in
R1
R2
fu =
gm 2π CP IT SR = CP
fCL =
fu 1+
R2 R1
图5：双级VFB运算放大器模型
诸如此类双级放大器拓扑结构被IC工业广泛应用于VFB运算放大器之中，精密和高速放大 器均是如此。 另一种流行的VFB运算放大器架构是折叠式共源共栅，如图6所示。有一个行业标准视频 放大器系列 (AD847 )即是以这种架构为基础的。该电路同时利用了基于 CB 工艺的快速 PNP。Q1和Q2集电极中的差分信号电流馈入PNP共源共栅晶体管对的发射极中(术语折叠 式共源共栅即源于此)。Q3和Q4集电极以电流镜D1和Q5加载，电压增益则形成于Q4-Q5节 点。这种单极架构在高阻抗节点采用结电容来实现补偿(CSTRAY)。 一些变化设计将该节点引至一个外部引脚，从而可在需要时，增加额外的外部电容。
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图3所示为反相配置。在该电路中，输出与输入反相。该电路的信号增益取决于所用电阻 的比值，计算公式为： 等式
SUMMING POINT RG RF
G = VOUT/VIN = - RF/RG VIN OP AMP
VOUT
图3：反相模式的运算放大器级
图4所示为同相配置。在该电路中，输出与输入同相。该电路的信号增益同样取决于所用 电阻的比值，计算公式为： 等式
OP AMP
G = VOUT/VIN = 1 + (RF/RG) RF
VIN
VOUT
RG
图4：同相模式的运算放大器级
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请注意，当电路配置为最小增益1(RG = ∞)时，由于输出驱动分压器(增益设置网络)，所以 反相引脚端的最大可用电压为全部输出电压。 另外注意，在反相和同相两种配置中，反馈是从输出引脚到反相引脚。这是负反馈，对设 计师来说，这有许多优势，我们将对此进行详细讨论。 另外需要注意的是，增益是以电阻的比值而不是其实际值为基础。这就意味着，设计师可 以从多种值中进行选择，只需遵循某种实际限制即可。 然而，如果电阻的值太低，则需运算放大器输出引脚提供大量电流才能正常工作。这会导 致运算放大器本身的功耗大幅增加，从而带来多种缺点。功耗增加会使芯片自热，结果可 能改变运算放大器本身的直流特性。另外，产生热量最终可能使结温升高至150°C以上， 而这是多数半导体常用的上限。结温为硅片本身的温度。另一方面，如果电阻值过高，就 会导致噪声和寄生电容增加，结果也可能限制带宽，并有可能导致不稳定和振荡。 从实用角度来看，10 以下和1 M 以上的电阻很难找到，尤其是需要精密电阻时。 计算反相运算放大器的增益 我们来详细讨论一下反相运算放大器的情况。如图5所示，同相引脚接地。我们假定采用 一种双极性(正和负)电源。由于运算放大器将强制使通过输入引脚的差分电压变成零，所 以反相输入也会表现为地电压。事实上，这个节点通常称为“虚拟地”。
(+)
INPUTS
(-)
图1：运算放大器的标准符号
运算放大器”的标准简称是“运放”。这一名称源于放大器设计的早期，当时运算放大器应 用于模拟计算机中。(是的，第一代计算机是模拟的，不是数字的。)当这种基础放大器与 几个外部元件配合使用时，可以执行各种数学“运算”，如加、积分等。模拟计算机的主要 用途之一体现在第二次世界大战期间，当时，它们被用来绘制弹道轨迹。有关运算放大器 的历史，请看参考文献2。 理想的电压反馈(VFB)模型 理想的电压反馈(VFB)运算放大器经典模型具有以下特征： 1. 输入阻抗无穷大 2. 带宽无穷大 3. 电压增益无穷大 4. 零输出阻抗 5. 零功耗
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Rev.0, 10/08, WK
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虽然这些并不现实，但这些理想标准决定着运算放大器的质量。 这就是所谓的电压反馈(VFB)模型。这类运算放大器包括带宽在10 MHz以下的几乎所有运 算放大器，以及带宽更高的运算放大器的90%。电流反馈(CFB)是另一种运算放大器架 构，我们将在另一教程中讨论。图2总结了理想的电压反馈运算放大器的属性。
POSITIVE SUPPLY
(+) INPUTS (-) OP AMP OUTPUT
IDEAL OP AMP ATTRIBUTES Infinite Differential Gain Zero Common Mode Gain Zero Bias Current Infinite Bandwidth OP AMP INPUT ATTRIBUTES Infinite Impedance Zero Bias Current Respond to Differential Voltages Do Not Respond to Common Mode Voltages OP AMP OUTPUT ATTRIBUTES Zero Impedance
MT-032 指南
理想的电压反馈型(VFB)运算放大器
简介 运算放大器是线性设计的基本构建模块之一。在经典模式下，运算放大器由两个输入引脚 和一个输出引脚构成，其中一个输入引脚使信号反相，另一个输入引脚则保持信号的相 位。运算放大器的标准符号如图1所示。其中略去了电源引脚，该引脚显然是器件工作的 必需引脚。
参考文献：
1. Hank Zumbahlen, Basic Linear Design, Analog Devices, 2006, ISBN: 0-915550-28-1. Also available as Linear Circuit Design Handbook, Elsevier-Newnes, 2008, ISBN-10: 0750687037, ISBN-13: 9780750687034. Chapter 1 Walter G. Jung, Op Amp Applications, Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5, Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7844-5. Chapter 1.
VOUT = I1×RF
经过一些简单的算术运算，可以得到结论(等式 1)，即：
等式
VOUT VIN
计算同相运算放大器的增益
G
RF RG
等式
OP AMP VA RF
I
VIN
VOUT
RG
图6：同相放大器增益
现在，我们来详细考察一下同相放大器的情况。如图6所示，输入电压施加于同相引脚。 输出电压驱动一个由RF和RG构成的分压器。反相引脚(VA)端的电压(位于两个电阻的接合 处)等于
I1
RG
I2
RF
VINOP AMP来自VOUT图5：反相放大器增益
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如果向输入电阻施加电压(VIN)，就会通过电阻(RG)产生电流(I1)，因此 =
VIN RG
等式
引脚将有电压(VOUT)：
由于理想的运算放大器输入阻抗无穷大，因此，不会有电流流入反相输入引脚。因此，同 一电流(I1)一定会流过反馈电阻(RF)。由于放大器将强制使反相引脚变成地，因此，输出
VA =
RG VOUT R + RF G
等式
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运算放大器的负反馈行为会使差分电压变成0，因此
VA = VIN
经过简单的算术运算可得：
等式
等式
与等式2相同。 在上述讨论中，我们把增益设置元件称为电阻。事实上，它们是阻抗，而不仅仅是电阻。这 样，我们可以构建依赖于频率的放大器。对于这个问题，我们将在以后的教程中详细讨论。
NEGATIVE SUPPLY
图2：理想的电压反馈运算放大器的属性
基本工作原理 理想的运算放大器的基本工作原理非常简单。首先，我们假定输出信号的一部分反馈至反 相引脚，以建立放大器的固定增益。这是负反馈。通过运算放大器输入引脚的任何差分电 压都将与放大器的开环增益(对于理想的运算放大器，该值无穷大)相乘。如果该差分电压 的幅度在反相(–)引脚上为正且高于同相(+)引脚，则输出会变成负。如果差分电压的幅度 在同相(+)引脚上为正且高于反相(–)引脚，则输出电压将变成正。放大器的无穷大开环增 益会尝试迫使差分输入电压变为零值。只要输入和输出处于放大器的工作电压范围之内， 就会使差分输入电压保持于零，输出为输入电压与反馈网络决定的增益之积。请注意，输 出对差模电压而非共模电压作出反应。 反相和同相配置 有两种基本方法可以把理想的电压反馈运算放大器配置为放大器。分别如图3和图4所示。
2.
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