场效应晶体管放大器是电压控制器件，具有输入阻抗高、噪声低的优点，被广泛应用在电子电路中，特别是具有上述要求前级放大器显示器出越性。根据场效应管两大类型...
BiCMOS 运算放大器概述
接线图
2024年01月26日 10:50 254
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BiCMOS 逻辑系列将双极器件和 CMOS 器件集成在单个芯片上，结合了两个系列的优点。双极逻辑系列具有更高的开关速度和更高的输出驱动电流容量。CMOS 系列具有更低的功耗、更好的噪声容限和更高的封装密度。
运算放大器
运算放大器 (op-amp) 是一种具有差分输入和一个输出的高增益压控电压源 (VCVS)。
最初的运算放大器采用在高电压下极化的热电子管，在模拟计算机中以电方式执行加法、减法、乘法、除法、积分、微分等数学运算。因此，它被称为运算放大器。尽管它的使用已扩展到模拟计算之外的许多应用，但它保留了这个名称。 目前，它们是具有多种封装的集成电路，工作电位低，可靠，廉价，并且可以采用单电源。、
图 2.运算放大器中的电流和电压。
节点电压以地为参考。带加号的输入为同相输入，带负号的输入为反相输入。运算放大器符号并不总是显示接地，但它始终存在。
通常，为了清晰起见，电路图省略了运算放大器运行所需的电源。
输入电压 V in = Vi1 – Vi2。作为依赖源，运算放大器放大输入电压。在图 2中，运算放大器的开环增益 (A) 决定了输入电压放大程度——定义为 Vo/Vin 比率。
单输入放大器是一种特殊情况，其中一个输入接地。
运算放大器可以是集成电路或具有大量功能的分立元件。
理想的运算放大器
理想的运算放大器仅响应两个输入之间的电压差。没有反馈的运算放大器据说工作在开环模式下——它的反馈电路不是闭合的。
理想的运算放大器具有无限的电压增益、输入阻抗和带宽、零输出阻抗、零响应时间和无噪声。由于输入阻抗无穷大，因此输入电流也为零。
总结：
电压增益 = ∞
输入阻抗 = ∞
带宽 = ∞
输出阻抗=0
完美平衡：当V 2 = V 1时，V o = 0 。
这些特性与温度无关。
真正的运算放大器
理想的运算放大器具有无限的输入阻抗，并且不会从源汲取电流，因此不会产生功率。该设备是不现实的，因为任何放大器都必须从源获取一些功率来感测要放大的信号。
实际的运算放大器无法满足理想的开环特性。相反，他们寻求那些理想的参数。
实际运算放大器的电压增益范围为 10 (60 dB) 至 10 (180 dB)，通常为 10 (100 dB)，并且平坦响应 - 恒定增益 - 从 0 Hz 到几千赫兹。
输入阻抗范围为 10至 10^2 欧姆，输出阻抗范围为 25 至 50 欧姆。由于运算放大器不具有无限输入阻抗，因此它们的输入电流不为零。该小电流会在输出端产生失调电压，该电压可以通过电阻器 Rc 进行部分补偿，如图5和图 6所示。
实际参数取决于特定的运算放大器型号。上述数字仅供参考。实际上，必须使用制造商数据表中指定的参数。
开环运行 运算放大器有一个反相输入和一个同相输入。当施加到反相输入时，输出端的极性会反转输入电压的极性。当应用于同相输入时，输出极性相同。图 3和图 4显示了两种操作模式。
图 4.非反相模式操作。
这些设置允许运算放大器以其最大电压增益水平运行。
如图2所示，在没有反馈的情况下，运算放大器的输出等于其两个输入处的电位差乘以电压增益。如上所述，理想器件的电压增益是无限的。
假设实际设备的电压增益为 10?，输入电压为 1 V，则输出应为 100 kV。但输出电压不能超过最高电源电压，以免饱和。
我们看到开环配置的高增益使放大器不稳定，因为即使很小的输入信号也可能产生饱和。因此，开环布局并不实用。反馈电路的连接——闭环操作——解决了这个不稳定问题，尽管损失了部分增益。
闭环运行
我们看到运算放大器作为通用放大器非常有价值，主要是因为它的高增益。
运算放大器与普通差分放大器的主要区别在于，前者利用外部反馈网络——根据所需的具体功能，部分输出信号通过多条路径反馈到输入端。
闭环电路中的增益与开环电路中的增益不同，即电压增益 A。使用外部反馈连接很有帮助，这样放大器输出信号的整体电压增益或特性主要取决于反馈电路中的元件。
反馈电路中使用的典型无源电气元件具有稳定且准确已知的值。这种格式控制运算放大器的整体输出特性，与放大器元件本身的特性无关。将反馈电路连接到基本运算放大器，使其工作在闭环模式下。
两个基本的闭环放大电路是反相放大器（图5）和同相放大器（图6）。
反相放大器 反相放大器采用负反馈，在输出和负反相输入之间连接外部电阻器 R f 。
在此状态下，负端的输入电压为V in加上反馈电压。输入电阻 R in分隔这两个电压。实际放大器的输入电阻等于中的R。
假设一个理想的运算放大器并将闭环增益定义为
G = V输出/V输入
反相放大器的闭环增益为
G = ?R f /R in
反相放大器的增益始终为负，因此它的鬃毛。
尽管负反馈精确地控制了放大器的整个电压增益，但它降低了其幅度。设计者对 Rin 和 Rf 的选择将独立于开环增益 A 设置绝对增益。
图 5中的方程显示输出电压为负（前提是 V in > 0）。
前面的方程表明 V out = GV in，因此输出电压是线性的。
同相放大器 在不改变符号的情况下进行放大的解决方案是同相放大器配置，如图 6所示。输入电压馈入正输入，输出电压变为正，与反相放大器相反 - 现在，输出电压保持输入极性。
通过分压器网络将部分输出电压应用回负端或反相端，从而提供反馈控制。
同样，假设一个理想的运算放大器并将闭环增益定义为
G = V输出/V输入
同相放大器的闭环增益为
G = 1 + (R f /R in )
查看一些特定值，请注意，如果 R f = 0，则电压增益将为 1。如果R in = 0，理论上增益将接近无穷大，但实际上，它将是开环增益A。对于具有非负阻值的无源电阻，电压增益永远不会小于1。
对同相配置的详细电路分析表明，增益 G 有一个额外的 1/A 项，涉及开环增益。出于实际目的，考虑到 A 的值较高，此项为零。
同相配置具有最小增益和高输入阻抗特性。
电压跟随器
电压跟随器这个名称来源于这样一个事实：输出电压的符号和幅度与输入电压相等。电压跟随器利用同相配置的低增益、高输入阻抗和低输出阻抗。 在负反馈系统中，我们已经看到，通过将输出端子连接到反相输入，可以从输入中减去输出。令R f = 0，Rin =无穷大，忽略R c ，在图6的同相放大器中，我们得到如图7所示的电路。
输入电压直接连接到运算放大器的同相输入，导致输出和输入电压同相。
两个运算放大器输入端的电压 Vi 1和 Vi 2必须完全相同。如果电压V i 1 上升，则输出电压V o也上升。由于输出和负端之间存在反馈，V i 2 增加相同的量。
由于V in = Vi 1 - Vi 2，Vi 2降低了两个输入之间的电压，从而降低了V o。该过程很快稳定下来，Vo 保持在保持两个输入理想相同所需的值。这个结果是负面反馈的明确标志。
可以看出，图7中的增益V o /V i 1为A/(A+1)。对于显着增益，该比率接近 1。这意味着输出电压 V o跟随输入电压 Vi 1而无需放大或任何其他变化。
相反，请记住，在没有反馈的情况下，V o /V in = A。
电压跟随器将输出与输入隔离。当阻抗匹配或电路隔离至关重要时，它会很有帮助。利用其高输入阻抗的一个示例是当用于测量仪器的输入以从被测电路获取浅电流时。
物理运算放大器
作为高增益压控电压源来执行简单任务的机制是非常复杂的电路。 物理运算放大器是晶体管、电阻器、二极管和其他元件的复杂排列。作为说明，图 8显示了Renesas CA3130 运算放大器（15MHz、具有 MOSFET 输入/CMOS 输出的 BiMOS 运算放大器）的简化原理图。
CA3130 有一个反相输入（引脚 2）和一个同相输入（引脚 3）。这些输入为两个用作差分放大器的 p 沟道场效应晶体管的栅极供电。这一事实提供了非常高的输入阻抗，在大多数情况下转化为微小的输入负载。
两个输入之间的电压差按比例分割来自上部电流源的电流，从而通过每个晶体管发送一小部分电流。一个特定的电路——电流镜——感测晶体管中的电流不平衡。电流镜还可用作差分至单端转换器。
单端电流不平衡被放大并进入第二个放大器级——单个 NPN 双极晶体管。第二放大器级提供大部分运算放大器电压增益。
第二级驱动推挽输出级，类似于用作 A 类放大器的 CMOS 反相器。该输出级是漏极负载放大器，其增益取决于负载阻抗。
三个增益级放大引脚 6 上的同相和反相输入和输出上的任何电压差。同相输入上的电压增加会驱动正输出。反相输入端的电压增加迫使输出为负值。
运算放大器具有固有的输入失调电压——必须在两个输入端子之间施加电压才能获得零伏的输出。引脚 5 和 1 之间的零失调电位器使电流镜不平衡并补偿输入失调电压。当滑块臂连接到引脚 4 时，该电位计的值为 100 kΩ。
引脚 1 和 8 之间的单个外部电容器将对运算放大器进行相位补偿。这意味着降低高频响应以保持稳定。47pF 电容器适用于大多数应用。
对于选通 – 获得对信号存在或不存在的数字控制 – 将引脚 8 连接到引脚 4（负电源）。这种连接迫使输出（引脚 6）连接到正电源（引脚 7），并最大限度地减少输出级所用的电流。
引脚 8 也有助于相位补偿。
运算放大器
运算放大器 (op-amp) 是一种具有差分输入和一个输出的高增益压控电压源 (VCVS)。
最初的运算放大器采用在高电压下极化的热电子管，在模拟计算机中以电方式执行加法、减法、乘法、除法、积分、微分等数学运算。因此，它被称为运算放大器。尽管它的使用已扩展到模拟计算之外的许多应用，但它保留了这个名称。 目前，它们是具有多种封装的集成电路，工作电位低，可靠，廉价，并且可以采用单电源。、
图 2.运算放大器中的电流和电压。
节点电压以地为参考。带加号的输入为同相输入，带负号的输入为反相输入。运算放大器符号并不总是显示接地，但它始终存在。
通常，为了清晰起见，电路图省略了运算放大器运行所需的电源。
输入电压 V in = Vi1 – Vi2。作为依赖源，运算放大器放大输入电压。在图 2中，运算放大器的开环增益 (A) 决定了输入电压放大程度——定义为 Vo/Vin 比率。
单输入放大器是一种特殊情况，其中一个输入接地。
运算放大器可以是集成电路或具有大量功能的分立元件。
理想的运算放大器
理想的运算放大器仅响应两个输入之间的电压差。没有反馈的运算放大器据说工作在开环模式下——它的反馈电路不是闭合的。
理想的运算放大器具有无限的电压增益、输入阻抗和带宽、零输出阻抗、零响应时间和无噪声。由于输入阻抗无穷大，因此输入电流也为零。
总结：
电压增益 = ∞
输入阻抗 = ∞
带宽 = ∞
输出阻抗=0
完美平衡：当V 2 = V 1时，V o = 0 。
这些特性与温度无关。
真正的运算放大器
理想的运算放大器具有无限的输入阻抗，并且不会从源汲取电流，因此不会产生功率。该设备是不现实的，因为任何放大器都必须从源获取一些功率来感测要放大的信号。
实际的运算放大器无法满足理想的开环特性。相反，他们寻求那些理想的参数。
实际运算放大器的电压增益范围为 10 (60 dB) 至 10 (180 dB)，通常为 10 (100 dB)，并且平坦响应 - 恒定增益 - 从 0 Hz 到几千赫兹。
输入阻抗范围为 10至 10^2 欧姆，输出阻抗范围为 25 至 50 欧姆。由于运算放大器不具有无限输入阻抗，因此它们的输入电流不为零。该小电流会在输出端产生失调电压，该电压可以通过电阻器 Rc 进行部分补偿，如图5和图 6所示。
实际参数取决于特定的运算放大器型号。上述数字仅供参考。实际上，必须使用制造商数据表中指定的参数。
开环运行 运算放大器有一个反相输入和一个同相输入。当施加到反相输入时，输出端的极性会反转输入电压的极性。当应用于同相输入时，输出极性相同。图 3和图 4显示了两种操作模式。
图 4.非反相模式操作。
这些设置允许运算放大器以其最大电压增益水平运行。
如图2所示，在没有反馈的情况下，运算放大器的输出等于其两个输入处的电位差乘以电压增益。如上所述，理想器件的电压增益是无限的。
假设实际设备的电压增益为 10?，输入电压为 1 V，则输出应为 100 kV。但输出电压不能超过最高电源电压，以免饱和。
我们看到开环配置的高增益使放大器不稳定，因为即使很小的输入信号也可能产生饱和。因此，开环布局并不实用。反馈电路的连接——闭环操作——解决了这个不稳定问题，尽管损失了部分增益。
闭环运行
我们看到运算放大器作为通用放大器非常有价值，主要是因为它的高增益。
运算放大器与普通差分放大器的主要区别在于，前者利用外部反馈网络——根据所需的具体功能，部分输出信号通过多条路径反馈到输入端。
闭环电路中的增益与开环电路中的增益不同，即电压增益 A。使用外部反馈连接很有帮助，这样放大器输出信号的整体电压增益或特性主要取决于反馈电路中的元件。
反馈电路中使用的典型无源电气元件具有稳定且准确已知的值。这种格式控制运算放大器的整体输出特性，与放大器元件本身的特性无关。将反馈电路连接到基本运算放大器，使其工作在闭环模式下。
两个基本的闭环放大电路是反相放大器（图5）和同相放大器（图6）。
反相放大器 反相放大器采用负反馈，在输出和负反相输入之间连接外部电阻器 R f 。
在此状态下，负端的输入电压为V in加上反馈电压。输入电阻 R in分隔这两个电压。实际放大器的输入电阻等于中的R。
假设一个理想的运算放大器并将闭环增益定义为
G = V输出/V输入
反相放大器的闭环增益为
G = ?R f /R in
反相放大器的增益始终为负，因此它的鬃毛。
尽管负反馈精确地控制了放大器的整个电压增益，但它降低了其幅度。设计者对 Rin 和 Rf 的选择将独立于开环增益 A 设置绝对增益。
图 5中的方程显示输出电压为负（前提是 V in > 0）。
前面的方程表明 V out = GV in，因此输出电压是线性的。
同相放大器 在不改变符号的情况下进行放大的解决方案是同相放大器配置，如图 6所示。输入电压馈入正输入，输出电压变为正，与反相放大器相反 - 现在，输出电压保持输入极性。
通过分压器网络将部分输出电压应用回负端或反相端，从而提供反馈控制。
同样，假设一个理想的运算放大器并将闭环增益定义为
G = V输出/V输入
同相放大器的闭环增益为
G = 1 + (R f /R in )
查看一些特定值，请注意，如果 R f = 0，则电压增益将为 1。如果R in = 0，理论上增益将接近无穷大，但实际上，它将是开环增益A。对于具有非负阻值的无源电阻，电压增益永远不会小于1。
对同相配置的详细电路分析表明，增益 G 有一个额外的 1/A 项，涉及开环增益。出于实际目的，考虑到 A 的值较高，此项为零。
同相配置具有最小增益和高输入阻抗特性。
电压跟随器
电压跟随器这个名称来源于这样一个事实：输出电压的符号和幅度与输入电压相等。电压跟随器利用同相配置的低增益、高输入阻抗和低输出阻抗。 在负反馈系统中，我们已经看到，通过将输出端子连接到反相输入，可以从输入中减去输出。令R f = 0，Rin =无穷大，忽略R c ，在图6的同相放大器中，我们得到如图7所示的电路。
输入电压直接连接到运算放大器的同相输入，导致输出和输入电压同相。
两个运算放大器输入端的电压 Vi 1和 Vi 2必须完全相同。如果电压V i 1 上升，则输出电压V o也上升。由于输出和负端之间存在反馈，V i 2 增加相同的量。
由于V in = Vi 1 - Vi 2，Vi 2降低了两个输入之间的电压，从而降低了V o。该过程很快稳定下来，Vo 保持在保持两个输入理想相同所需的值。这个结果是负面反馈的明确标志。
可以看出，图7中的增益V o /V i 1为A/(A+1)。对于显着增益，该比率接近 1。这意味着输出电压 V o跟随输入电压 Vi 1而无需放大或任何其他变化。
相反，请记住，在没有反馈的情况下，V o /V in = A。
电压跟随器将输出与输入隔离。当阻抗匹配或电路隔离至关重要时，它会很有帮助。利用其高输入阻抗的一个示例是当用于测量仪器的输入以从被测电路获取浅电流时。
物理运算放大器
作为高增益压控电压源来执行简单任务的机制是非常复杂的电路。 物理运算放大器是晶体管、电阻器、二极管和其他元件的复杂排列。作为说明，图 8显示了Renesas CA3130 运算放大器（15MHz、具有 MOSFET 输入/CMOS 输出的 BiMOS 运算放大器）的简化原理图。
CA3130 有一个反相输入（引脚 2）和一个同相输入（引脚 3）。这些输入为两个用作差分放大器的 p 沟道场效应晶体管的栅极供电。这一事实提供了非常高的输入阻抗，在大多数情况下转化为微小的输入负载。
两个输入之间的电压差按比例分割来自上部电流源的电流，从而通过每个晶体管发送一小部分电流。一个特定的电路——电流镜——感测晶体管中的电流不平衡。电流镜还可用作差分至单端转换器。
单端电流不平衡被放大并进入第二个放大器级——单个 NPN 双极晶体管。第二放大器级提供大部分运算放大器电压增益。
第二级驱动推挽输出级，类似于用作 A 类放大器的 CMOS 反相器。该输出级是漏极负载放大器，其增益取决于负载阻抗。
三个增益级放大引脚 6 上的同相和反相输入和输出上的任何电压差。同相输入上的电压增加会驱动正输出。反相输入端的电压增加迫使输出为负值。
运算放大器具有固有的输入失调电压——必须在两个输入端子之间施加电压才能获得零伏的输出。引脚 5 和 1 之间的零失调电位器使电流镜不平衡并补偿输入失调电压。当滑块臂连接到引脚 4 时，该电位计的值为 100 kΩ。
引脚 1 和 8 之间的单个外部电容器将对运算放大器进行相位补偿。这意味着降低高频响应以保持稳定。47pF 电容器适用于大多数应用。
对于选通 – 获得对信号存在或不存在的数字控制 – 将引脚 8 连接到引脚 4（负电源）。这种连接迫使输出（引脚 6）连接到正电源（引脚 7），并最大限度地减少输出级所用的电流。
引脚 8 也有助于相位补偿。
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