芝识课堂——运算放大器（二），在使用之前有哪些注意事项？

上篇我们了解了运算放大器的基本定义和内部工作原理。在本篇中，为了把运算放大器用好，建议我们在使用之前，先弄清一些重要的产品性质和注意事项。

运算放大器具有高增益能力，其增益取决于频率（如图1），并受温度和其它环境条件的影响。在实际市场应用场景中，东芝能够提供品种广泛的运算放大器，包括适用于放大物联网设备中各种传感器的小信号的低噪声运算放大器，有助于物联网设备长期运行的超低电流消耗运算放大器，和I／O全系列（I／O轨对轨）运算放大器等。


图1：运算放大器的频率特性

运算放大器通常与负反馈联用

在运算放大器电路中的反馈环有两种类型：正反馈和负反馈。正反馈是进一步增加输出端细微变化影响的一个过程；负反馈是试图使结果保持不变的一个过程，具备更好的增益稳定性。


图2：带反馈的放大电路

图2显示了一个带反馈的放大器电路。尽管运算放大器的开环增益非常高，但由于开环增益仍取决于频率，故难以使用此开环增益。负反馈导致其增益大幅下降，但是另一方面，负反馈增加了使增益曲线保持平缓的频带宽度，并减小了输出阻抗。此外，负反馈为创建易于操作的放大器创造了条件，因为它可以补偿增益变化。因此综合来看，运算放大器通常适合与负反馈一起使用。

运算放大器的开环增益和闭环增益

运算放大器的开环增益（GV）频率特性与一阶RC低通滤波器的频率特性相同。在高于转角频率（即fC；在此频率下，开环增益比直流增益低3 dB）的频率下，开环增益以每倍频程6 dB（每十倍为20 dB）的速率下降。在此频率范围内，当频率加倍时，运算放大器的分贝开环增益（GV）会减小6 dB（即线性开环增益（AV）减半）。


图3：带反馈的放大器电路

在图3中，输入端（Vin）与输出端（Vout）所具有的关系，称之为闭环增益（用dB标度表示为GCL，用线性标度表示为ACL）。20log规则用于将线性电压增益转换为分贝电压增益：G＝20×log A。

Vout／Vin＝ACL＝AV／（1＋AV×B）
　　　　　　  ＝1／{B（1 + 1／AV×B）}

其中，AV表示放大器的开环增益，B表示反馈系数。（AV×B）称为环路增益。分母（1＋AV×B）称为反馈量。在负反馈情况下，AV×B＜0。运算放大器的AV非常高。故|AV×B|>>1。因此，反馈量的计算公式为（1＋AV×B）≈AV×B（环路增益）。故可将上述等式简化为以下等式：Vout／Vin＝ACL＝1／B

图4显示了这种关系。运算放大器的带宽为fC。通过负反馈，其闭环带宽扩展至fCL。根据下列增益带宽积公式计算出fCL：fCL＝fT／ACL


图4：增益与频率的关系

值得注意的是，当闭环增益（GCL）或带宽（fCL）不足时，要选择fT较高的运算放大器，以满足设计所需。

注意反馈电路的振荡

当运算放大器用作放大器时，其被配置为负反馈，这里需注意反馈电路的振荡（图5）。作为振荡来源的信号或噪声，在某些条件下就有可能发展为振荡。


图5：反馈电路产生的振荡

当我们考虑的是适用于由运算放大器驱动电容性负载的应用场景时，如果电容性负载导致的截止频率在环路增益大于1的范围内，则会发生振荡。为防止振荡，需在电容器上串联一个电阻器。即使运算放大器未连接负载，仍应注意导线或其它电容。尽量缩短从运算放大器输出端至后续器件的导线长度以及反馈回路的导线长度。

本篇全面分享了运算放大器的一些需要重点注意的方面，下一篇我们将为大家介绍运算放大器的各种具体使用方式。