计算放大器来自电子线路,与电子技术的发展密切相关。
操作放大器是每个电子工程师必须学习的对象。为了为工程师提供高质量的电子工程知识,电源网络有幸邀请国内权威操作放大器应用专家陈永珍教授操作放大器的相关知识。辽宁理工大学教授陈永珍长期从事电力电子技术的教学和科研工作。他开发的铁路公交荧光逆变器仅通过铁道部标准TB/T2219-81年的所有测试都参加了国家863计划解放牌混合动力城市客车超级电容器项目,并出版了电容器、通用集成电路等相关领域的专业知识。请仔细听陈永真教授的精彩课程!
5.集成操作放大器的理论挑战。
为什么应用集成操作放大器会遇到理论挑战?原因很简单,这就是引入深度负反馈。
在电子技术基础课程中,负反馈往往有很多优点,但很少提到负反馈的缺点。最多,深度负反馈可能导致自激振荡。那么,在实际应用中,电子技术基础课程中学到的理论挑战是什么呢?
5.1 负反馈需要放大器具有更高的开环增益
世界上的一切都需要付出代价。虽然负反馈可以给放大器带来很多好处,但实际上对放大器性能的要求也有所提高。也许这就是利用负反馈获得放大器稳定性和优异性能的代价。
首先:
放大器需要付出高增益的代价:为了通过负反馈提高放大器的性能,需要深度反馈。当电路精度为2%时,反馈深度至少应超过100;如果电路精度达到0.01%甚至超过2万 。这种深度反馈要求放大器的开环增益至少是闭环增益的100倍甚至2万倍。在保持放大器闭环电压增益的同时,大大提高放大器的精度实际上需要大大提高放大器的性能。想象一下放大器增益从100增加到1万 00 000的跨度会有多大!
引入负反馈后 放大器的增益为:
型明显表示,负反馈引入后增益为开环的1/(1 AF)
5.2 负反馈宽带宽实际上是放大器本身性能的质的飞跃
第二:
放大器需要支付满足要求的带宽:模拟电子技术教科书中几乎无一例外的负反馈可以改善放大器的带宽。但事实并非如此。所谓的负反馈放大器带宽是以牺牲放大器闭环增益为代价的。当放大器处于开环状态时,当放大器的开环增益随频率降低到闭环增益时,相应的频率与引入负反馈的带宽相同。也就是说,放大器的带宽需要在开环状态下具有与闭环相同的带宽。
放大器引入负反馈后带宽展宽的结果为:
但放大器的增益变成了:
两者乘积为:
也就是说,放大器的增益带宽乘积是常数,无论如何引入负反馈都无济于事。如果你想增加闭环带宽,你必须以同样的价格降低增益。
也就是说,1000 00倍放大器对应的转弯频率为100倍kHz,带宽在负反馈后获得100倍的闭环增益,只能达到5倍kHz,绝对不可能达到10kHz!这就是为什么后来的操作放大器有宽带放大器和通用放大器。
5.3负反馈需要付出代价
第三:
负反馈可能会引起放大器的自激振荡:引入负反馈也需要很高的开环增益来维持原来的闭环增益,因此需要多级放大器来实现。这带来了一个问题,即三级或三级以上的放大器级联,这是自动控制理论的三个极端。从自动控制理论可以看出,虽然三个或三个以上的开环系统是稳定的,但闭环后可能会变得不稳定,特别是在两个或两个以上的开环系统中dB当环增益时,系统稳定性变差或不稳定,放大器稳定性变差是输出严重振铃或严重超调;不稳定是自激振荡。
为了使集成操作放大器在任何状态下都不会产生自激振荡,需要对集成操作放大器进行校正(也称为频率补偿)。在实际应用中,集成操作放大器的校正滞后于校正,集成操作放大器的原始极点或零点消除,或压制到0dB下面。后者开环频率特性的第一个转折频率仅为原集成操作放大器的十万分之一甚至更低!这使得一般集成操作放大器的频率特性非常差,这就是为什么有第二代外部补偿的集成操作放大器,目的是使用前馈补偿和适当的滞后校正来获得尽可能宽的带宽。
牺牲了放大器的瞬态响应,同时将集成操作放大器校正为单极点开环频率特征。内部补偿的一般集成操作放大器的输出电压摆动速率仅为0.5V/μs。
本质上,即使使用负反馈,为了获得具有优异特性的放大器,其开环放大器本身的性能也必须是优异的。
第四:就是放大器的随频率变化的相位不同会使得非正弦信号通过放大器后产生失真,这是放大器自身特性,除非放大器的转折频率超过所处理信号频率的十倍以上,而这又对放大器提出了更高的带宽要求。同时也是负反馈所不能解决的。
5.4 负反馈不能解决所有问题
综上所述,负反馈可以有效抑制放大器开环增益变化对闭环增益的影响,有效抑制晶体管参数漂移的影响,有效抑制晶体管非线性失真。从而获得放大器的稳定性和性能的提高。
但除非引入负反馈后的放大器开环具有这样的带宽,否则几乎不可能应用负反馈来扩大放大器的带宽。换句话说,通用集成操作放大器LM单位增益带宽约3000kHz,在实际应用中,无论如何引入负反馈闭环带宽,都不会达到1MHz。无论如何,闭环100倍的电压增益都不能达到50倍kHz甚至是20kHz带宽。
由于引入深度滞后校正,输出电压摆动率大大降低,导致大信号输出状态下剧下降。LM741功率带宽不到10kHz。这个值可能难以想象。也就是说,对于LM741无论如何引入负反馈,大输出的功率带宽都不会超过10kHz。
如果要引入负反馈彻底改善增益变化、漂移、非线性失真对放大器的影响,就要引入深度负反馈,很浅的负反馈则基本上看不到效果的。
可以使用负反馈来提高输入阻抗和降低输出阻抗,但放大器开环高输入阻抗是获得高输入阻抗的最佳方法。负反馈也需要深度负反馈来大大提高输入阻抗,而浅负反馈基本上没有效果。同样,低输出阻抗也应基于开环低输出阻抗,以获得更好的效果。
由于输出电压摆动速率的限制和深度滞后校正导致额开环带宽的急剧变窄,在相对高频的情况下,通用集成操作放大器看不到负反馈导致的瞬态输出电阻的降低。瞬态输出电阻仍然是开环状态下的输出电阻,这是实际应用中无法做到的深度负反馈(由于集成操作放大器自身特性的限制)。
深度负反馈需要极高的放大器开环增益,而分立元件获得的极高开环增益具有较大的寄生参数,容易产生自激振荡。只有集成电路才能获得最小的寄生参数,因此集成操作放大器是利用深度负反馈获得的预期效果。




