廖恆德 Handel Working Spece: 標準運算放大器的電路

一個標準運算放大器的電路符號：

運算放大器的電路符號及各端點

其中，

V₊：非反相輸入端（non-inverting input）
V₋：反相輸入端（inverting input）
V_out: 輸出端（output）
V_S+: 正電源端（亦可能以 $V_\mathrm{DD}$ 、 $V_\mathrm{CC}$ 或 $V_\mathrm{CC+}$ 表示）
V_S−: 負電源端（亦可能以 $V_\mathrm{SS}$ 、 $V_\mathrm{EE}$ 或 $V_\mathrm{CC-}$ 表示）

電源端點V_S+和V_S−的標示方法有很多種（詳見：積體電路的電源端點），不過無論如何標示，電源端點的實際功能都是一樣的。為了電路圖的簡潔起見，電源端點有時會被省略，而用文字直接說明。而在不會造成電路錯接的前提下，正負輸入端在電路圖裡可以依照設計者的需要而對調，但是電源端通常不會這麼做。

理想運算放大器的操作原理

一個理想的運算放大器（ideal OPAMP）必須具備下列特性：

無限大的輸入阻抗（Z_in=∞）：理想的運算放大器輸入端不容許任何電流流入，即上圖中的V₊與V_-兩端點的電流訊號恆為零，亦即輸入阻抗無限大。
趨近於零的輸出阻抗（Z_out=0）：理想運算放大器的輸出端是一個完美的電壓源，無論流至放大器負載的電流如何變化，放大器的輸出電壓恆為一定值，亦即輸出阻抗為零。
無限大的開迴路增益（A_d=∞）：理想運算放大器的一個重要性質就是開迴路的狀態下，輸入端的差動訊號有無限大的電壓增益，這個特性使得運算放大器在實際應用時十分適合加上負回授組態。
無限大的共模排斥比（CMRR=∞）：理想運算放大器只能對V₊與V_-兩端點電壓的差值有反應，亦即只放大 $V_{+}-V_{-}$ 的部份。對於兩輸入訊號的相同的部分（即共模訊號）將完全忽略不計。
無限大的頻寬：理想的運算放大器對於任何頻率的輸入訊號都將以一樣的差動增益放大之，不因為訊號頻率的改變而改變。
趨於零的失調和漂移

黃金規則

在負回授的情況下，以上理想放大器之特性可總結為以下二點，

輸出會使得輸入電壓間的差異成為零，V₊=V_-
因輸入阻抗無限大，故輸入電流I₊=0,I_-=0

開迴路組態[編輯]

開迴路組態的運算放大器可作為比較器使用

當一個理想運算放大器採用開迴路的方式工作時，其輸出與輸入電壓的關係式如下：

V_\mathrm{out} = (V_+ - V_-) \cdot A_\mathrm{do}

其中A_do代表運算放大器的開迴路差動增益。由於運算放大器的開迴路增益非常高，因此就算輸入端的差動訊號很小，仍然會讓輸出訊號飽和，導致非線性的失真出現。因此運算放大器很少以開迴路組態出現在電路系統中，少數的例外是用運算放大器做比較器進行滿幅輸出，輸出值通常為邏輯準位的「0」與「1」。

負回授組態[編輯]

將運算放大器的逆向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在負回授組態的狀況，此時通常可以將電路簡單地稱為閉迴路放大器。閉迴路放大器依據輸入訊號進入放大器的端點，又可分為反相（inverting）與非反相（non-inverting）兩種。

必須注意的是，所有閉迴路放大器都是運算放大器的負回授組態。

反相閉迴路放大器

右圖是一個反相閉迴路放大器的電路。假設這個閉迴路放大器使用理想的運算放大器，則因為其開迴路增益為無限大，所以運算放大器的兩輸入端為虛接地（virtual ground）。又因為輸入阻抗無限大，自V_in到V_-之電流，等於V_-到V_out之電流，所以:

V_\mathrm{out} =- \frac{R_\mathrm{f}} {R_\mathrm{in}} \cdot V_\mathrm{in}

輸入電阻等於R_in，

電壓關係：

U_{out} = - U_{R_f} = - I \cdot R_f = - { U_{in} \over R_{in}} \cdot R_f = - { R_f \over R_{in}} \cdot U_{in}

非反相閉迴路放大器

右圖是一個非反相閉迴路放大器的電路。

V_\mathrm{out} = V_\mathrm{in} \cdot ( \frac{R_\mathrm{2} + R_\mathrm{1}} {R_\mathrm{1}} )

正回授組態

會使用正回授的情況有：

作為有遲滯的比較器，形成施密特電路
產生振盪

實際運算放大器的侷限[

理想的運算放大器並不存在於這個世界上，所有的運算放大器電路都會遇到下列的問題，影響了它們的應用，也讓設計者在使用運算放大器時必須考量到更多可能會發生的問題。

直流的非理想問題

有限的開迴路增益

實際的運算放大器開迴路增益為有限的而不是無限的。根據電子電路相關書籍資料，以OP Amp 741元件而言，其開迴路電壓增益大約為200000。^[2]

有限的輸入阻抗

大於零的輸出阻抗

大於零的輸入偏壓電流

大於零的共模增益

交流的非理想問題

有限的頻寬—

 訊號頻率高到一定程度時，也不能忽略頻率愈高，增益愈低的情形。

輸入電容—

非線性的問題[

訊號飽和—
延遲率—
非線性轉換函數—

功率損耗的考量

輸出功率的限制—
輸出電流的限制—

在電路設計中的應用[

電流的感測一般採用兩種基本方案。一種是測量電流流過的導體周圍磁場，另一種是在電流路徑中插入一個小型電阻，然後測量電阻上的壓降。第一種方法並不會引起干擾或插入損耗，但成本相對較為昂貴，而且容易產生非線性效應與溫度係數誤差。因此磁場感測技術通常只局限於一些能夠承擔無插入損耗的高成本應用。

本文主要討論半導體產業中普遍使用的電阻感測技術，它能為各種應用提供精確且高性價比的直流(DC)電流測量結果。本文還介紹了高側和低側的電流感測原理，並透過實際案例協助設計者選擇適合其應用的最佳方案。

電阻感測方案

在電流路徑中以串聯的方式插入一個低電阻值的感測電阻，將會形成一個較小的壓降，該壓降可被放大而成為一個與電流成正比的輸出訊號。然而，根據實際應用環境與感測電阻的位置，這一技術可能對感測放大器帶來各種挑戰。

例如，將感測電阻放在負載與電路接地之間，那麼所形成的壓降可採用簡單的運算放大器(OP)進行放大(見圖1B)。這種方法被稱為低側電流感測，與其相對應的方法為高側感測，即感測電阻位於供電電源和負載之間(見圖1A)。

圖1：圖1A描述了基本的高側感測電路，圖1B則顯示基本的低側感測電路。

一般來說，盡可能地降低感測電阻值，可利於功耗抑制；但感測電阻值也要夠大，才能在所需的精確度範圍內產生一個可被感測放大器檢測到的電壓。值得注意的是，在感測電阻上的這種差分感測訊號取決於共模電壓的作用──對於低側感測而言，這一共模電壓趨近於接地(0V)，但對高側感測方法來說則接近於供電電壓。因此，測量放大器的輸入共模電壓範圍對於低側方案來說應包含接地，對高側方案來說則應包含供電電壓。

由於低側感測時的共模電壓趨近於接地，因而電流感測電壓可使用一個低成本、低電壓的運作放大器進行放大。低側電流感測方案簡單且成本低，但許多應用卻無法容忍由於感測電阻所導致的接地路線干擾。由於系統中一個模組的接地位準因低側電流感測而變化，較高的負載電流可能使問題更加嚴重，因此必須與接地電位不至改變的其它模組進行通訊。

廖恆德 Handel Working Spece

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2014年7月8日星期二