幾年前，ADI公gong司si安an排pai我wo出chu差cha去qu參can加jia研yan討tao會hui，在zai斯si德de哥ge爾er摩mo和he米mi蘭lan航hang段duan，我wo的de行xing李li丟diu了le。我wo穿chuan著zhe新xin買mai的de意yi大da利li服fu裝zhuang，沒mei有you幻huan燈deng片pian可ke展zhan示shi
，尷gan尬ga地di對dui著zhe眾zhong多duo付fu費fei觀guan眾zhong。我wo向xiang他ta們men保bao證zheng，等deng吃chi完wan午wu餐can事shi情qing就jiu解jie決jue了le
，我wo決jue定ding隻zhi給gei他ta們men講jiang一yi講jiang運yun算suan放fang大da器qi，說shuo說shuo這zhe些xie器qi件jian本ben身shen的de局ju限xian性xing
，讓rang這zhe些xie自zi認ren很hen資zi深shen的de用yong戶hu對dui放fang大da器qi有you更geng深shen入ru的de了le解jie。有you人ren給gei我wo拿na來lai幾ji張zhang白bai紙zhi和he一yi支zhi黑hei色se馬ma克ke筆bi，我wo們men開kai始shi探tan索suo這zhe片pian“未知水域”。

 

一開始我就問：“誰用過運算放大器?”差不多每個人都舉起了手，有人笑得不可名狀
，也有人自信地低聲輕笑。然後我接著問：“為什麼要用放大器?”大廳裏陡然鴉雀無聲，笑容變得隱晦。過了幾秒鍾，有人試著回答：“嗯，有大量運算放大器可供選擇。”我承認，的確是這樣。另一人回答：“它們很便宜!”這也沒錯

，這些運算放大器在解決目前的問題時具有極好的價值。最後，一些人鼓足勇氣說：“它們增益很高!”這才是我想要的答案!因為在幾乎所有運算放大器應用中
，這句話看似不正確。然而這是運算放大器的奧秘之一。“現在我們來談談這個問題吧”，我說。

 

運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)無(wu)處(chu)不(bu)在(zai)，它(ta)源(yuan)於(yu)模(mo)擬(ni)計(ji)算(suan)機(ji)時(shi)代(dai)，有(you)著(zhe)悠(you)久(jiu)的(de)曆(li)史(shi)
，現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)模(mo)擬(ni)電(dian)子(zi)領(ling)域(yu)的(de)標(biao)誌(zhi)性(xing)產(chan)品(pin)。它(ta)的(de)名(ming)字(zi)是(shi)如(ru)此(ci)平(ping)淡(dan)
，我(wo)們(men)很(hen)少(shao)靜(jing)下(xia)心(xin)來(lai)思(si)考(kao)它(ta)所(suo)代(dai)表(biao)的(de)含(han)義(yi)，更(geng)不(bu)會(hui)想(xiang)到(dao)還(hai)有(you)對(dui)應(ying)的(de)器(qi)件(jian)“非運算放大器”。“非運算放大器”從字麵意思來看，就是“不運算的放大器”。可能有許多放大器並不基於“運算放大器範式”，而是從單個晶體管單元開始，在某些特殊領域這些晶體管的性能可能優於運算放大器，例如適合RF應用的LNA，並且包括一些基本的變體，例如電流反饋和有源反饋器件。本文先提出一個問題：為什麼運算放大器如此受歡迎?suihouhuitantaoruguobutouchelejiewuchubuzaideyunsuanfangdaqi，zaiyingyongzhongkenenghuiyinqideyixiexianweirenzhidewenti。houxuwenzhanghaihuitantaoweilaijiniankenengqudaiyunsuanfangdaqidechanpin，baokuodianliufankuileixing，yijitidaijingmidedishizhen、寬帶、電壓模式放大的新解決方案。

 

選擇和理想

 

如今，係統設計師可以在眾多不同種類的所謂“傳統”單片運算放大器中進行選擇，這類器件具有差分高阻抗輸入
，支持小電壓VIN
，以及單邊(或者看似如此)低阻抗輸出
，由此出現VOUT = AVIN，通常認為放大因數A非常大。我們稱這種放大器為OPA。至於其它類型

，例如TZA和AFA，我們將在後續專欄中介紹。

 

每個OPA都有其特殊的性能
，例如隻提供幾個飛安偏置電流(通常稱為靜電計級運算放大器);或者提供超低偏置電壓(即所謂的“儀表級運算放大器”，不要與“儀表放大器”混淆，後者通常指固定增益差分輸入放大器);或者具有極低噪聲，包括不穩定和具有煩人的低頻率噪聲(稱為1/f);或者具有寬帶寬，同時具有高壓擺率時比較有用(雖然並不太需要);或者支持小功率運行
，有時采用非常低的電源電壓;或者能夠將大功率驅動到負載。每種OPA都體現了一組強大的優化標準，當然，沒有任何一種設計是通用的。

 

OPA為何應用如此廣泛?是否可以將部分原因歸結為推廣和促銷?它獨特的優勢，近乎萬能的特性
，隻是一個神話嗎?顯然不是;但是，它未必始終具備其享譽的精度。如果你打開大多數有關運算放大器的教科書，你會發現討論總是以所謂的“理想特性”開始，開頭總是這樣的：

 

無限增益

無限帶寬

無延時

 

坦率地說
，即使在傳統的應用中，我也不知道如何使用這樣的放大器
，簡單說就是因為這些放大器永遠不會穩定下來——即使OPA中zhong絕jue對dui沒mei有you增zeng益yi和he相xiang位wei誤wu差cha。事shi實shi上shang，正zheng是shi基ji於yu這zhe一yi點dian才cai獲huo得de高gao精jing度du。不bu妨fang考kao慮lv一yi下xia實shi現xian單dan位wei增zeng益yi反fan相xiang放fang大da器qi的de簡jian單dan反fan饋kui電dian路lu。在zai實shi際ji的de實shi施shi中zhong，從cong輸shu出chu到dao反fan相xiang端duan的de物wu理li電dian阻zu具ju有you分fen布bu電dian阻zu和he電dian容rong，並bing且qie具ju有you相xiang當dang複fu雜za的de增zeng益yi/xiangweitexing。jinguanzhezhongtezhengshijianchangshufeichangxiao，tongchangshipimiao，danruguofangdaqiqueshinengzaichaochuguanjianxianzhifanweiyiwaidepinlvshixianzhenzhengdepingtanzengyi，nametamenjueduibuwending。womenkeyitongguokuaisufangzhenlaizhanshizhezhongkenengxing。dangran，zheshigexueshuwenti。shijideyunsuanfangdaqizaidaduoshuyingyongzhongdoujuyouchusedexingneng，zhengshizhezhonggaodukeyucedelianghaoxingnengshiyunsuanfangdaqichengweixiandaimonishejizhongguangfanyingyongdezuchengbufen。zheshiruheshixiande?

 

在實際的OPA中
，各元件固有的“慣性”會(hui)造(zao)成(cheng)相(xiang)位(wei)滯(zhi)後(hou)
，在(zai)高(gao)頻(pin)時(shi)，相(xiang)位(wei)滯(zhi)後(hou)更(geng)加(jia)嚴(yan)重(zhong)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)出(chu)現(xian)大(da)相(xiang)位(wei)角(jiao)。大(da)部(bu)分(fen)原(yuan)因(yin)應(ying)該(gai)歸(gui)結(jie)於(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)，但(dan)電(dian)阻(zu)的(de)電(dian)容(rong)特(te)性(xing)也(ye)會(hui)造(zao)成(cheng)相(xiang)位(wei)滯(zhi)後(hou)。如(ru)果(guo)增(zeng)益(yi)幅(fu)度(du)過(guo)大(da)，閉(bi)環(huan)響(xiang)應(ying)將(jiang)不(bu)穩(wen)定(ding)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)通(tong)過(guo)“HF補償”來解決
，說明大多數當代運算放大器中都會考慮這一點。穩定性標準大家都很熟悉，比較可靠的教科書中都會進行全麵闡述(關於這個主題，推薦大家閱讀麻省理工學院的Jim Roberge撰寫的《運算放大器》)。到目前為止，最常用的穩定技術是“主導極點(dominant pole)”
，它可以保證閉環響應無條件保持穩定(至少在單位閉環增益和並非完全無功負載的情況下)，雖然從某些方麵來說效率很低
，卻大大簡化了運算放大器的使用。但也正是這種技術導致許多實際應用中的交流增益極低。

 

在數據手冊中，OPA的性能通過大量與直流特性有關的數據來體現。其中之一是開環直流電壓增益AO。在競爭激烈的現代社會
，人們認為AO低於100dB(也就是低於x100,000)的運算放大器才剛剛勉強達到標準。所以，人們費盡心力地來提高這個參數值——100萬很常見，1000萬也算平常。我不明白為什麼大家需要這麼高的增益。即使在應變儀(strain-gauge)接口這樣的應用中，數百萬直流增益也是不合理的。

 

例如，假設我們希望實現x10,000的閉環增益，以便將100mV的信號提升到可用的1V。為了達到-1%的誤差
，有限的AO必須是100萬。但是反饋網絡中用來定義增益的電阻的精度絕不會高於1%;應變係數的不確定性往往會導致更大的標度誤差。鑒於應變測量通道的單次校準通常都是強製性的，所以使用較低的AO就足以提供足夠的性能
，特別是當這個參數在溫度和電源電壓下是穩定的，設計良好的現代產品通常都是如此。

 

從前的謎題

 

人們偶然注意到
，集成電路中出現的某些微妙的、一(yi)時(shi)令(ling)人(ren)費(fei)解(jie)的(de)限(xian)製(zhi)
，可(ke)能(neng)會(hui)阻(zu)礙(ai)實(shi)現(xian)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)子(zi)增(zeng)益(yi)。在(zai)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)發(fa)展(zhan)早(zao)期(qi)，這(zhe)曾(zeng)經(jing)是(shi)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)問(wen)題(ti)，當(dang)時(shi)人(ren)們(men)還(hai)不(bu)像(xiang)現(xian)在(zai)技(ji)術(shu)嫻(xian)熟(shu)的(de)設(she)計(ji)師(shi)一(yi)樣(yang)了(le)解(jie)矽(gui)的(de)真(zhen)實(shi)特(te)性(xing)。事(shi)實(shi)上(shang)，這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)首(shou)次(ci)出(chu)現(xian)時(shi)，人(ren)們(men)覺(jiao)得(de)非(fei)常(chang)令(ling)人(ren)費(fei)解(jie)。不(bu)僅(jin)增(zeng)益(yi)低(di)於(yu)預(yu)期(qi)值(zhi)(通常要低得多)，它甚至可以是反相符號：也就是說，外部網絡提供的負反饋在非常低的頻率下變為正反饋，但閉環響應卻保持穩定!這怎麼可能呢?

 

人們很快意識到，罪魁禍首應該是來自輸出級的熱反饋(輸出級的運行溫度可能非常高)，然後被回傳給始終用作輸入級的差分對。由此產生的熱梯度可以在這些器件之間產生VBE。這種影響非常大：對於雙極晶體管
，僅0.01℃的溫差在室溫下會產生約20µV偏置電壓(如果芯片溫度更高，該值越大)。假設這種功率變化造成的1V輸出的差值，那麼“熱增益”應該隻是1V/20µV，或僅為50,000。顯(xian)然(ran)，熱(re)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)由(you)部(bu)署(shu)的(de)精(jing)密(mi)細(xi)節(jie)決(jue)定(ding)，如(ru)果(guo)它(ta)應(ying)該(gai)是(shi)正(zheng)的(de)，則(ze)將(jiang)在(zai)與(yu)電(dian)反(fan)饋(kui)相(xiang)反(fan)的(de)方(fang)向(xiang)運(yun)行(xing)。但(dan)交(jiao)流(liu)響(xiang)應(ying)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)，因(yin)為(wei)它(ta)是(shi)由(you)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)上(shang)的(de)特(te)征(zheng)決(jue)定(ding)的(de)。事(shi)實(shi)上(shang)，交(jiao)流(liu)響(xiang)應(ying)在(zai)幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)實(shi)際(ji)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)應(ying)用(yong)中(zhong)占(zhan)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)。

 

現代運算放大器係統中很少出現熱反饋問題，這是因為它們采用了多種共中心布局技術。這種技術最早的采用應該歸功於ADI公司的Mitch Madique
，它也用到了晶體管的交叉四方(cross-quad)特性：不(bu)是(shi)采(cai)用(yong)單(dan)對(dui)晶(jing)體(ti)管(guan)，而(er)是(shi)將(jiang)兩(liang)組(zu)晶(jing)體(ti)管(guan)呈(cheng)方(fang)形(xing)放(fang)置(zhi)，並(bing)且(qie)采(cai)用(yong)會(hui)抵(di)消(xiao)熱(re)感(gan)應(ying)偏(pian)置(zhi)的(de)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)。但(dan)這(zhe)並(bing)不(bu)是(shi)實(shi)現(xian)所(suo)需(xu)的(de)漸(jian)變(bian)效(xiao)果(guo)唯(wei)一(yi)可(ke)能(neng)的(de)布(bu)局(ju)。有(you)時(shi)候(hou)，采(cai)用(yong)另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)案(an)會(hui)更(geng)方(fang)便(bian)，我(wo)將(jiang)它(ta)稱(cheng)為(wei)懶(lan)人(ren)“交叉四方”
，表示一種線性A-B-B-A布bu局ju。共gong中zhong心xin方fang法fa現xian在zai已yi成cheng為wei慣guan常chang采cai用yong的de方fang法fa，它ta們men最zui大da限xian度du地di減jian少shao了le放fang大da器qi輸shu入ru端duan的de直zhi流liu誤wu差cha源yuan，例li如ru由you芯xin片pian上shang的de摻chan雜za梯ti度du引yin起qi的de誤wu差cha，以yi及ji機ji械xie應ying變bian的de影ying響xiang，它ta們men在zai許xu多duo其qi它ta單dan片pian設she計ji領ling域yu也ye很hen有you用yong，比bi如ru電dian流liu鏡jing(Current Mirror)。

 

內部積分電路

 

運算放大器數據手冊也給出了“單位增益”頻率
，我們稱之為f1。通過采用主導極點方法
，在較低的信號頻率fs下，增益幅值會增加，其值並不難算：就是fs/f1。因此，如果我們使用單位增益頻率為f1 = 10MHz的運算放大器，在100kHz時它的增益正好是100——離無限差遠了!我在會上指出了這一點，問聽眾：“假設你有一個100MHz單位增益的運算放大器
，在30MHz信號下，它的開環增益是多少?”回應非常有趣，很明顯，很多人都心算過了
，得出的增益值是3.3。但是“每個人都知道”運算放大器的增益值是極高的，這讓他們開始嚴重懷疑自己計算結果的正確性。沒人舉手回答!

 

這是一個簡單的事實，毫不誇張。OPA一派的運算放大器設計在大多數信號頻率下，都不會產生高開環增益。如果我們回到應變儀測量接口問題，並且提問：“對於直流增益為1000萬，單位增益頻率(f1)為1MHz的放大器，在隻有100Hz的信號頻率(在振動測量儀器中相當常見)下
，開環增益是多少?”它隻有10,000，也就是說，比直流開環增益低千倍，顯然與動態響應無關。

 

我們來仔細看看通過主導極點(今天仍然是主流技術!)穩定下來的典型運算放大器的響應。我們看到f1以下的增益與頻率直接成反比，直到達到非常低的角頻率為止，在上麵的示例中，它的值是1MHz/10,000,000，或0.1Hz，盡管這個數字全無意義。至於高於f1的fs，它會以一種近似線性的方式，隨著頻率的增加而降低，至少在一段時間內是這樣。那麼
，如何稱呼這種功能呢?我們將它稱為“integrator”(積分電路)
，其交流增益可以用拉普拉斯公式A(s) = 1/sT1來表示，其中T1是特征時間常數，由公式f1 = 1/2pT1可知，與f1有關係。因此
，就頻率精度而言，我們可以說運算放大器最重要的參數是它的單位增益頻率f1，也就是它的特征時間常數T1。哈哈，要向英特爾致歉了，我們可以說運算放大器的標誌就是“Integrator Inside”!

這是對OPA的de一yi種zhong不bu同tong看kan法fa
，與yu上shang述shu教jiao科ke書shu中zhong的de觀guan點dian不bu同tong。但dan從cong它ta本ben身shen來lai說shuo也ye是shi一yi種zhong理li想xiang，隻zhi是shi更geng貼tie近jin現xian實shi。此ci外wai，它ta完wan全quan符fu合he教jiao科ke書shu宣xuan稱cheng的de無wu限xian直zhi流liu增zeng益yi，因yin為wei1/sT1在s = 0(也就是f = 0)時會達到無限。如果預算放大器在實際應用中是正常的、可預測的，1/sT1特征通常是需要的(雖然不是必需：先進的高速放大器使用調整過的穩定範式。)

 

OPA的“積分電路視角”非常有價值。GHz頻率的增益不受約束，這是大多數教科書和大學課堂中廣泛講授的說法，但這隻是應用領域最天真的想法。事實上，人們甚至可以斷言(我就會!)
，正是因為傳統運算放大器的這個獨特的“integrator”，它ta才cai被bei廣guang泛fan用yong於yu數shu不bu清qing的de應ying用yong中zhong，由you此ci實shi現xian無wu故gu障zhang運yun行xing，且qie無wu需xu對dui用yong戶hu進jin行xing過guo度du關guan注zhu。但dan是shi，有you人ren可ke能neng會hui說shuo，每mei個ge應ying用yong都dou能neng輕qing鬆song采cai用yong運yun算suan放fang大da器qi的de這zhe個ge現xian象xiang令ling人ren遺yi憾han，因yin為wei它ta會hui導dao致zhi某mou種zhong程cheng度du的de懶lan惰duo，並bing且qie常chang常chang會hui忽hu略lve手shou頭tou上shang可ke能neng更geng好hao解jie決jue這zhe個ge問wen題ti的de其qi它ta方fang法fa。

 

就是Active-R濾波器?

 

或許我們應該舉一個與這種“普遍”guandianyouguandeshili，xuduonianqianchuxianleyidaduiwudaorendexueshulunwen，zhexielunwenzhichu
，yunsuanfangdaqibeiyingyongdaobushihedeyingyongzhongshi，cunzaiyanzhongquexian。zhongsuozhouzhi，lvboqisheji(當時比較常見的是Sallen-and-Key類型)在高頻率下會受到所謂“因為運算放大器產生多餘相位”的嚴重影響。當然，從積分器角度我們可以看出，其實一點都不“多餘”!運算放大器能夠準確提供預期的設計功效：增益幅度每十倍頻程降20dB，相位恒定為-90度。“多餘相位”這個詞可能更適合用來表示：相xiang位wei角jiao的de幅fu度du在zai高gao於yu單dan位wei增zeng益yi頻pin率lv時shi快kuai速su增zeng大da的de現xian象xiang，或huo者zhe單dan單dan因yin為wei時shi間jian延yan遲chi導dao致zhi的de額e外wai相xiang位wei。但dan這zhe兩liang種zhong都dou不bu是shi導dao致zhi濾lv波bo器qi中zhong經jing常chang出chu現xian令ling人ren煩fan惱nao的deQ增強的原因。

 

然後，有一天，有人靈光一閃，“我知道了，我們可以使用運算放大器極點來實現濾波器時間常數!”這是一個好主意，可以說，就是在它的基礎上，誕生了如今所謂的“gm/C”型濾波器設計。但根據實際考慮來看
，它存在嚴重缺陷。它因為使用“Active-R”這zhe個ge名ming稱cheng而er被bei過guo度du炒chao作zuo，其qi實shi這zhe個ge名ming稱cheng毫hao無wu意yi義yi。任ren何he純chun模mo擬ni濾lv波bo器qi基ji本ben上shang都dou必bi須xu使shi用yong儲chu能neng器qi件jian，在zai大da多duo數shu單dan片pian低di頻pin濾lv波bo器qi中zhong都dou是shi電dian容rong器qi，因yin此ci必bi須xu始shi終zhong保bao持chi“Active-CR”。我wo們men很hen肯ken定ding，運yun算suan放fang大da器qi中zhong會hui嵌qian入ru電dian容rong器qi，用yong作zuo主zhu導dao極ji點dian生sheng成cheng元yuan件jian。我wo想xiang學xue者zhe們men應ying該gai很hen清qing楚chu這zhe一yi點dian，但dan是shi通tong過guo改gai換huan名ming稱cheng來lai避bi免mian更geng深shen入ru的de考kao量liang
，顯xian然ran令ling人ren難nan以yi理li解jie。

 

因為這個原因，我在《Electronics Letters》上發表了一篇名為《運算放大器極點的使用：一次警示》的文章，在文中指出，商業運算放大器的單位增益頻率f1是不準確的
，其公差從未確定：它一般隻用於保證穩定性
，且通常具有比較大的裕量。順便說一句
，這引發了一個有趣的觀點。鑒於f1在幾乎所有應用中的重要性(幾十年來它完全決定了低於它的開環增益)，不采用具備經過校準的f1的運算放大器時結果非常令人驚訝，我認為它在很大程度上反映了人們仍然缺乏一種認知：這個參數隻是衡量運算放大器使用的一個基本參數。現在，CR乘積(用於確定A(s) = 1/sT1中的T1)的受控率約為±35%，但是可以使用現代化產品設備輕鬆調節到1%，且可以通過精心設計
，將其保持在非常接近室溫值。

 

此外，因為在大多數商業運算放大器中f1的絕對控製性很差(因此使用隨機選擇的放大器時導致多極點濾波器的極點位置嚴重分散)，且此參數的溫度穩定性也很差，所以命名糟糕的“Active-R”技(ji)術(shu)也(ye)存(cun)在(zai)嚴(yan)重(zhong)局(ju)限(xian)性(xing)

，幸(xing)好(hao)這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)自(zi)然(ran)消(xiao)亡(wang)了(le)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)限(xian)製(zhi)是(shi)，典(dian)型(xing)的(de)雙(shuang)極(ji)輸(shu)入(ru)級(ji)的(de)信(xin)號(hao)容(rong)量(liang)非(fei)常(chang)有(you)限(xian)，在(zai)許(xu)多(duo)電(dian)平(ping)下(xia)會(hui)出(chu)現(xian)大(da)規(gui)模(mo)奇(qi)數(shu)階(jie)失(shi)真(zhen)，因(yin)此(ci)在(zai)實(shi)際(ji)濾(lv)波(bo)器(qi)中(zhong)不(bu)適(shi)用(yong)。在(zai)T = 27°C、基礎與基礎之間的驅動電平僅為±20mV時，簡單雙極對的HD3為1%(-40dBc)。

 

在批評了學術界的輕率行為之後，我意外收到一位教授來信
，信的開頭是這樣寫的：“親愛的Gilbert博士：我們看到了您對我們研究的‘Active-R’過濾器的批評，我可以保證，這些是完全實用的。事實上，我的一個學生.....(此處省略一萬字)”有時，讓人接受一個哪怕非常簡單、真實的觀點也很困難。

 

“虛地”毫無根據

 

介紹運算放大器的書籍喜歡讚美“虛地”的優點
，這個觀點源於在OPA的輸入端提供對反相輸入的負反饋
，且(通常)這個OPA輸入是接地的非反相輸入(此節點可能隻是交流接地，或者甚至用於其它與信號相關的用途。)反向輸入也被稱為“求和節點”，因為它在模擬計算機應用中很常見，通過單個電阻將幾個電壓轉換成電流並求和，求和節點充當所謂的“虛地”。它是虛擬的，因為它並沒有通過線纜連接到地麵
，但是(有人跟我們說)整個係統(OPA和電阻)運行起來就像是接地了一樣，除了所有流向它的求和電流必須先流經反饋電阻

，並產生輸出電壓。

 

教科書中如此解釋：因為增益非常非常高，在這個神奇的求和節點/虛地上從來沒有任何顯著的電壓變化，所以輸入電壓被精確地轉換成與之成比例的電流
，而被稱為“通過OPA接地”的輸出也同樣精確。這是一個很誘人的概念，但它並不完全正確。與“所有的求和電流”有關的部分沒什麼問題

，因為OPA的輸入電流通常可以忽略不計
，即使在頻率非常接近f1時也是如此;可以歸結為輸入電容的量極少。而且，即使是一個適度分流的輸入電阻(比如1MΩ)也不算很大問題。

 

那麼，問題出在哪裏呢?簡單地說
，有限的交流開環增益要求輸入端有一定的有限電壓
，這意味著“虛地”不(bu)過(guo)是(shi)一(yi)個(ge)節(jie)點(dian)
，在(zai)這(zhe)個(ge)節(jie)點(dian)上(shang)
，每(mei)當(dang)輸(shu)入(ru)端(duan)有(you)任(ren)何(he)變(bian)化(hua)時(shi)，都(dou)必(bi)定(ding)存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)可(ke)能(neng)引(yin)發(fa)問(wen)題(ti)的(de)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)壓(ya)。為(wei)了(le)理(li)解(jie)這(zhe)種(zhong)觀(guan)點(dian)離(li)理(li)想(xiang)狀(zhuang)態(tai)有(you)多(duo)遙(yao)遠(yuan)，我(wo)們(men)不(bu)妨(fang)考(kao)慮(lv)一(yi)下(xia)用(yong)於(yu)將(jiang)DAC的輸出電流轉換為電壓的OPA，也就是經典的跨阻抗功能。我們把擴展這個功能的反饋電阻當做RF。現在將運算放大器模擬為一個積分電路(這一步必須做)，並考慮與電流階躍對應的“虛地”的電壓擺幅。最開始
，運算放大器的輸出保持不變;其初始響應類似斜坡，在放大器執行VOUT = -VIN/sT1運算時出現。在本例中，VIN是什麼?它其實就是DAC輸出電流階躍(稱為IDAC)乘以反饋電阻RF。在IDAC = 2mA、RF = 5kΩ(最終輸出為10V)這種典型示例中，輸入階躍也是10V!

 

當OPA輸出在輸入端對整個最終值的“誤差電壓”進行積分的時候
，誤差按單純由單位增益頻率決定的速率呈指數下降，即基於T1時間常數。在這段時間內，反向節點遠非是一個“虛地”
，相反在本例中電壓上升到最高輸出值10V
，然後回落到接近零。在實際應用中
，實際電壓會低於這個值，因為輸入晶體管總是會發生發射極-基極擊穿(在回轉期間
，DAC也經常會限製電壓擺幅)。

 

有時，OPA的輸入端可能包含一個“二極管盒”，以針對如此大的輸入提供保護。有時會在電路板上增加肖特基二極管
，以“優化加速”。這種二極管能夠改善這種情況嗎?嗯，它們肯定可以防止輸入二極管因為長時間接觸反向偏置(瞬變或持續)導致的beta下降，但實際上它們無法加快運算放大器的穩定，原因很多：現在我們不再采用大誤差電壓
，而是將VIN限製在幾百毫伏以內
，而且
，輸出端的dV/dt成比例下降至約原速率的1/20。

 

輸出地在哪裏?

 

似乎很少有運算放大器用戶會關注輸出地位於何處。大多數放大器並沒有名為“輸出地”的引腳。那麼
，它到底在哪裏?使用夏洛克·福爾摩斯的排除法
，最後發現，它應該是其中一個電源引腳，或者兩個都是!事實就是如此。

 

經典OPA包括一個gm級，然後是一個電流鏡，其(單邊)電流被積分到片內電容Cc，通常被稱為“HF補償電容”。特征時間常數T1由商Cc/gm(和按這種方式構建的現代濾波器一樣)和f1 = gm/2pCc組成。現在，許多OPA都使用所謂的密勒積分器(Miller Integrator)拓撲，在這種拓撲中，這個重要的電容通常連接在一條實際的電源線(在npn實施示例中，通常是VNEG)和(he)輸(shu)出(chu)之(zhi)間(jian)。所(suo)以(yi)，放(fang)大(da)器(qi)的(de)交(jiao)流(liu)輸(shu)出(chu)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)源(yuan)實(shi)際(ji)上(shang)就(jiu)是(shi)這(zhe)條(tiao)電(dian)源(yuan)線(xian)。如(ru)果(guo)它(ta)有(you)噪(zao)聲(sheng)，或(huo)由(you)於(yu)任(ren)何(he)原(yuan)因(yin)產(chan)生(sheng)各(ge)種(zhong)其(qi)他(ta)噪(zao)聲(sheng)，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)電(dian)壓(ya)都(dou)會(hui)出(chu)現(xian)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)。

 

作者介紹：

Barrie Gilbert是IEEE終身會員
、ADI研究員
、美國國家工程院院士。他於1937年出生於英國伯恩茅斯，在Mullard Ltd工作時對新“晶體管”產生了興趣，負責研發第一代平麵IC。1964年移居美國後，他加入了俄勒岡州比弗頓的Tektronix公司

，在那裏開發了首個電子旋鈕讀取係統
，並取得了與儀器相關的其它進展。從1970年到1972年

，他回到英國擔任Plessey研究實驗室的組長。1972年他擔任ADI公司的IC設計師，於1979年正式加盟ADI公司，成為第一代研究員。現在，他在比弗頓擁有自己的NW實驗室，主導高性能模擬IC的開發。

 

因為合並晶體管邏輯(後來稱為I2L)方麵的成就，他於1970年榮獲了IEEE頒發的“傑出成就獎”;1986年

，IEEE固態電路委員會授予他“傑出開發獎”，表彰他早期對跨導線性技術的發明。1990年，他獲得了“俄勒岡州年度研究員”獎，並因“對非線性信號處理的傑出貢獻”獲得了固態電路委員會獎(1992年)。他曾先後5次獲得ISSCC頒發的“優秀論文”獎，2次獲得ESSCIRC頒發的“最佳論文”獎，多次獲得行業“最佳產品”獎等;此外，他還撰寫了大量關於模擬設計的文章，並經常進行演講。他在全球擁有100多項專利
，並擁有俄勒岡州立大學工程榮譽博士學位。