電子大講堂：運算放大器開環(huán)增益之我見

　　大多數(shù)電壓反饋(VFB)型運算放大器的開環(huán)電壓增益(通常稱為AVOL，有時簡稱AV)都很高。常見值從100000到1000000，高精度器件則為該數(shù)值的10至100倍。有些快速運算放大器的開環(huán)增益要低得多，但是幾千以下的增益不適合高精度應(yīng)用。此外還要注意，開環(huán)增益對溫度變化并不高度穩(wěn)定，同一類型的不同器件也會存在極大差異，因此，增益值必須很高。

　　電壓反饋運算放大器采用電壓輸入/電壓輸出方式工作，其開環(huán)增益為無量綱比，所以不需要單位。但是，數(shù)值較小時，為方便起見，數(shù)據(jù)手冊會以V/mV或V/μV代替V/V表示增益，電壓增益也可以dB形式表示，換算關(guān)系為dB = 20×logAVOL。因此，1V/μV的開環(huán)增益相當于120 dB，以此類推。

　　電流反饋(CFB)型運算放大器采用電流輸入和電壓輸出，因此，其開環(huán)跨導增益以V/A或Ω(或kΩ、MΩ)表示。增益值通常介于幾百kΩ與幾十MΩ之間。

　　根據(jù)基本反饋原理，為了保持精度，精密放大器的直流開環(huán)增益AVOL必須很高。通過檢查閉環(huán)增益公式就能發(fā)現(xiàn)這點，該公式包含由有限增益引起的誤差。包含有限增益誤差的閉環(huán)增益公式如下：

　　其中，β是反饋環(huán)路衰減，也稱反饋因子(反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓衰減)。噪聲增益等于1/β，因此，該公式還可以其它形式表示。將公式右端兩項合并，把NG(噪聲增益)代入，可得到如下公式：

　　公式1和2是等效的，兩者均可使用。如前所述，噪聲增益(NG)只是從與運算放大器輸入串聯(lián)的小電壓源獲得的增益，是同相模式下的理想放大器信號增益。如果公式1和2中的AVOL無限大，閉環(huán)增益就和噪聲增益1/β完全相等。

　　但是，由于NG << AVOL且AVOL為有限值，因此存在閉環(huán)增益誤差，估算公式如下：

　　注意，公式3中的百分比形式增益誤差直接與噪聲增益成比例(即噪聲增益較小時增益誤差也較小)，因此，有限AVOL對低增益的影響較小。一些示例可以說明上述增益關(guān)系的要點。

　　開環(huán)增益不確定性

　　下圖1中，第一個示例中噪聲增益為1000，可以看出，開環(huán)增益為200萬時，閉環(huán)增益誤差約為0.05%。注意，若溫度、輸出負載和電壓變化時開環(huán)增益保持不變，0.05%的增益誤差很容易通過校準從測量結(jié)果中去除，這樣就不存在整體系統(tǒng)增益誤差。但是，若開環(huán)增益改變，由此產(chǎn)生的閉環(huán)增益也會改變。這就導致了增益不確定性。在第二個示例中，AVOL減少至30萬，產(chǎn)生的增益誤差為0.33%。這種情況會使閉環(huán)增益中產(chǎn)生0.28%的增益不確定性。大多數(shù)應(yīng)用中，使用良好的放大器時，電路的增益電阻是絕對增益誤差的最大來源，但是應(yīng)注意，增益不確定性不能通過校準去除。

　　圖1：開環(huán)增益變化導致閉環(huán)增益不確定性

　　輸出電平和輸出負載的變化是導致運算放大器開環(huán)增益變化的最常見原因。開環(huán)增益中信號電平的變化會導致閉環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)的非線性，也無法在系統(tǒng)校準過程中去除。大多數(shù)運算放大器都有固定負載，因此負載的AVOL變化一般不重要。但是，AVOL對輸出信號電平的靈敏度在負載電流較高時可能會上升。

　　#(開環(huán)增益越高越好，這樣增益誤差就越小)

　　非線性的嚴重程度在不同類型的器件中變化很大，數(shù)據(jù)手冊中一般不會明確規(guī)定。但是通常會規(guī)定最小AVOL，選擇高AVOL的運算放大器可以將增益非線性誤差的發(fā)生概率降至最低。增益非線性的來源有很多，具體取決于運算放大器的設(shè)計。其中一個常見來源是熱反饋(例如從熱輸出級反饋至輸入級)。如果溫度變化是非線性誤差的唯一原因，減小輸出負載可能會有所幫助。為了驗證這一點，需要在空載條件下測量非線性，然后與負載條件下進行比較。

　　測量開環(huán)增益非線性

　　下圖2所示為測量直流開環(huán)增益非線性的示波器 X-Y顯示測試電路。前文討論的與失調(diào)電壓測試電路相關(guān)的防范措施在該電路中也應(yīng)注意。放大器的信號增益設(shè)置為–1，開環(huán)增益定義為輸出電壓的變化除以輸入失調(diào)電壓的變化。但是，AVOL值較大時，實際失調(diào)電壓在整個輸出電壓擺幅內(nèi)可能只改變幾微伏。因此，采用10Ω電阻和RG (1 MΩ)組成的除法器時，節(jié)點電壓VY按以下公式計算：

　　選擇RG值是為了使VY獲得可測量的電壓，具體取決于VOS的預(yù)期值。

　　圖2：測量開環(huán)增益非線性的電路

　　±10 V斜波發(fā)生器輸出乘以–1的信號增益后，會使得運算放大器輸出電壓VX在+10 V到–10 V之間擺動。因為失調(diào)電壓添加了增益系數(shù)，所以需要增加失調(diào)調(diào)整電位計，將初始輸出失調(diào)設(shè)置為零。選擇的電阻值可以抵消高達±10 mV的輸入失調(diào)電壓。電位計的每一端都應(yīng)采用穩(wěn)定的10 V基準電壓源(如AD688)，以防止輸出漂移。還應(yīng)注意，由于開環(huán)增益的轉(zhuǎn)折頻率較低，斜坡發(fā)生器頻率必須很低，可能不超過1Hz的幾分之一(例如，OP177為0.1Hz)。

　　圖2右側(cè)的坐標圖所示為VY與VX的關(guān)系圖。如果不存在增益非線性，則圖中所示應(yīng)為斜率不變的直線，AVOL按以下公式計算：

　　如果存在非線性，AVOL會隨著輸出信號變化而動態(tài)變化。開環(huán)增益非線性的近似值根據(jù)輸出電壓范圍內(nèi)的AVOL最大值和最小值計算，公式如下：

　　閉環(huán)增益非線性用開環(huán)增益非線性乘以噪聲增益NG計算得出，公式如下：

　　理想狀態(tài)下，VOS和VX的關(guān)系圖是一條斜率不變的直線，斜率的倒數(shù)為開環(huán)增益AVOL。斜率為零的水平線表示開環(huán)增益無限大。實際運算放大器中，由于存在非線性和熱反饋等因素，斜率會在輸出范圍內(nèi)發(fā)生變化。實際上，斜率甚至可以改變符號。

　　圖3所示為OP177精密運算放大器中VY(以及VOS)與VX的關(guān)系圖。圖中所示為2 kΩ和10 kΩ兩種負載下的關(guān)系圖。斜率的倒數(shù)根據(jù)端點計算，AVOL平均值約為800萬。經(jīng)測量，AVOL在輸出電壓范圍內(nèi)的的最大值和最小值分別約為910萬和570萬。對應(yīng)的開環(huán)增益非線性約為0.07 ppm。因此，噪聲增益為100時，對應(yīng)的閉環(huán)增益非線性約為7 ppm。

　　圖3：OP177增益非線性

　　當然，這些非線性測量方法在高精度直流電路中最為適用。但是也適合音頻之類帶寬較寬的應(yīng)用。例如，圖2中的X-Y顯示技術(shù)可以輕松顯示設(shè)計不當?shù)倪\算放大器輸出級的交越失真。