运算放大器的奥秘

“虚地”毫无根据

介绍运算放大器的书籍喜欢赞美“虚地”的优点，这个观点源于在OPA的输入端提供对反相输入的负反馈，且（通常）这个OPA输入是接地的非反相输入（此节点可能只是交流接地，或者甚至用于其它与信号相关的用途。）反向输入也被称为“求和节点”，因为它在模拟计算机应用中很常见，通过单个电阻将几个电压转换成电流并求和，求和节点充当所谓的“虚地”。它是虚拟的，因为它并没有通过线缆连接到地面，但是（有人跟我们说）整个系统（OPA和电阻）运行起来就像是接地了一样，除了所有流向它的求和电流必须先流经反馈电阻，并产生输出电压。BMcednc

教科书中如此解释：因为增益非常非常高，在这个神奇的求和节点/虚地上从来没有任何显著的电压变化，所以输入电压被精确地转换成与之成比例的电流，而被称为“通过OPA接地”的输出也同样精确。这是一个很诱人的概念，但它并不完全正确。与“所有的求和电流”有关的部分没什么问题，因为OPA的输入电流通常可以忽略不计，即使在频率非常接近f₁时也是如此；可以归结为输入电容的量极少。而且，即使是一个适度分流的输入电阻（比如1MΩ）也不算很大问题。BMcednc

那么，问题出在哪里呢？简单地说，有限的交流开环增益要求输入端有一定的有限电压，这意味着“虚地”不过是一个节点，在这个节点上，每当输入端有任何变化时，都必定存在一个可能引发问题的适当的电压。为了理解这种观点离理想状态有多遥远，我们不妨考虑一下用于将DAC的输出电流转换为电压的OPA，也就是经典的跨阻抗功能。我们把扩展这个功能的反馈电阻当做R_F。现在将运算放大器模拟为一个积分电路（这一步必须做），并考虑与电流阶跃对应的“虚地”的电压摆幅。最开始，运算放大器的输出保持不变；其初始响应类似斜坡，在放大器执行V_OUT = -V_IN/sT₁运算时出现。在本例中，V_IN是什么？它其实就是DAC输出电流阶跃（称为I_DAC）乘以反馈电阻R_F。在I_DAC = 2mA、R_F = 5kΩ（最终输出为10V）这种典型示例中，输入阶跃也是10V！BMcednc

当OPA输出在输入端对整个最终值的“误差电压”进行积分的时候，误差按单纯由单位增益频率决定的速率呈指数下降，即基于T₁时间常数。在这段时间内，反向节点远非是一个“虚地”，相反在本例中电压上升到最高输出值10V，然后回落到接近零。在实际应用中，实际电压会低于这个值，因为输入晶体管总是会发生发射极-基极击穿（在回转期间，DAC也经常会限制电压摆幅）。BMcednc

有时，OPA的输入端可能包含一个“二极管盒”，以针对如此大的输入提供保护。有时会在电路板上增加肖特基二极管，以“优化加速”。这种二极管能够改善这种情况吗？嗯，它们肯定可以防止输入二极管因为长时间接触反向偏置（瞬变或持续）导致的beta下降，但实际上它们无法加快运算放大器的稳定，原因很多：现在我们不再采用大误差电压，而是将V_IN限制在几百毫伏以内，而且，输出端的dV/dt成比例下降至约原速率的1/20。BMcednc

输出地在哪里？

似乎很少有运算放大器用户会关注输出地位于何处。大多数放大器并没有名为“输出地”的引脚。那么，它到底在哪里？使用夏洛克·福尔摩斯的排除法，最后发现，它应该是其中一个电源引脚，或者两个都是！事实就是如此。BMcednc

经典OPA包括一个gm级，然后是一个电流镜，其（单边）电流被积分到片内电容C_c，通常被称为“HF补偿电容”。特征时间常数T₁由商C_c/gm（和按这种方式构建的现代滤波器一样）和f₁ = gm/2pC_c组成。现在，许多OPA都使用所谓的密勒积分器（Miller Integrator）拓扑，在这种拓扑中，这个重要的电容通常连接在一条实际的电源线（在npn实施示例中，通常是V_NEG）和输出之间。所以，放大器的交流输出基准电压源实际上就是这条电源线。如果它有噪声，或由于任何原因产生各种其他噪声，所有这些电压都会出现在输出端。BMcednc

作者介绍：BMcednc
Barrie Gilbert是IEEE终身会员、ADI研究员、美国国家工程院院士。他于1937年出生于英国伯恩茅斯，在Mullard Ltd工作时对新“晶体管”产生了兴趣，负责研发第一代平面IC。1964年移居美国后，他加入了俄勒冈州比弗顿的Tektronix公司，在那里开发了首个电子旋钮读取系统，并取得了与仪器相关的其它进展。从1970年到1972年，他回到英国担任Plessey研究实验室的组长。1972年他担任ADI公司的IC设计师，于1979年正式加盟ADI公司，成为第一代研究员。现在，他在比弗顿拥有自己的NW实验室，主导高性能模拟IC的开发。BMcednc

因为合并晶体管逻辑（后来称为I2L）方面的成就，他于1970年荣获了IEEE颁发的“杰出成就奖”；1986年，IEEE固态电路委员会授予他“杰出开发奖”，表彰他早期对跨导线性技术的发明。1990年，他获得了“俄勒冈州年度研究员”奖，并因“对非线性信号处理的杰出贡献”获得了固态电路委员会奖（1992年）。他曾先后5次获得ISSCC颁发的“优秀论文”奖，2次获得ESSCIRC颁发的“最佳论文”奖，多次获得行业“最佳产品”奖等；此外，他还撰写了大量关于模拟设计的文章，并经常进行演讲。他在全球拥有100多项专利，并拥有俄勒冈州立大学工程荣誉博士学位。BMcednc

（责编：Jenny Liao）BMcednc