运算放大器特性的仿真，模型，和PCB设计

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在电子学领域，我们每天都在使用不同类型的放大器。运算放大器的多功能性和简单性使得它成为许多电子电路的骨干。这些回路的稳定性与社交网络放大的不稳定性形成对比。

运算放大器特性

当我们使用运算放大器(运放)时，我们考虑电压放大和使用电容和电阻作为反馈组件。如果我们把运算放大器拆分成单独的部分，我们有:

• 一种多级高增益直接耦合放大器

• 逆输入

• 一个非逆输入，和

• 一个单端输出。

运算放大器的分析要考虑输入端和输出端的电压、电流和阻抗、增益带宽积和输出端的增益。但是，在进一步讨论之前，我们应该定义几个术语。运放的输入端和地之间可能有一个共同电压，称为共模电压。共模电压增益表示应用于共模电压的放大量。

我们可以通过器件放大两个输入电压之间的差值除以共模电压增益来衡量运算放大器的性能。将差分电压增益除以共模增益，得到共模抑制比(CMRR)，或:

CMRR =差分Av /共模Av

运算放大器的输入偏置电压(Vio)是使输出电压等于零所需的差分输入电压。输出直流偏置电压是由零输入电压产生的输出电压。

通过反馈控制运算放大器的工作特性，线性器件不仅可以放大，还可以作为滤波器和信号调理器或执行数学功能。大多数电路使用负反馈——或将180o失相输出信号的一部分返回到输入信号——在反相输入或非反相输入。我们把使用反馈的运放电路称为在闭环中工作的运放。运算放大器在输入端没有反馈，以开环方式工作。闭环操作产生精确可控的增益，而开环增益范围从20,000到100,000。

运算放大器分析:没有什么是理想的

当我们分析任何类型的设备时，我们都需要建立一个基准。对于运算放大器，我们使用理想运算分析来设置完美的基准参数。理想操作分析假设输入引线的电流为零。由此，我们假设该设备具有无限增益。也就是说，一个理想的运算放大器可以将输出电压驱动到满足输入条件的任意值。

让我们从理想运算放大器的角度来思考一下。在运算放大器的输入引线上没有电流和信号，我们也可以假设输入端存在零电压。两个引线都保持在相同的电位。输入引线处电流为零的情况也表明理想运放具有无限大的输入阻抗。

在这一点上，我们对理想运放的分析变得非常有趣。因为一个理想的运放有一个零输出阻抗，它可以驱动任何负载而没有输出阻抗下降负载。理想的运算放大器也有平坦的频率响应。因此，频率的增加或减少对增益没有影响。

现在我们已经完成了一个快速的理想运放分析，让我们总结一下理想运放的特性。

运算放大器的特点:这是真正的交易

使用理想运行分析作为基准的一个很酷的部分是，一些运算放大器可以接近接近理想的运行特性。例如，大多数运算放大器在低电流时输出阻抗小于1欧姆。对于一些实际的运算放大器，我们可以使用负反馈来接近理想的输入电阻、输出电阻和带宽特性。

然而，理想的运算放大器和实际的运算放大器之间存在着关键的区别。

每一个实用的运算放大器都有其缺陷和局限性。每天，实际的运算放大器消耗电力，有一个可测量的输入偏置电流和高到非常高的输入阻抗、有限增益和输入偏置电压。在现实生活中，增益等参数是频率的函数。即使有这些限制，实际运算放大器提供的性能特征，匹配或超过大多数电路的要求。

理解运算放大器背后的功能有助于您的设计

理想运放的输入端不吸收电流，而实际运放的输入端(IB+和IB-)都有少量直流偏置电流。偏置电流的取值范围为60飞安培(fA)或60 × 10-15 ~ 10纳安培。在设计电路时，应该考虑到即使是很小的偏置电流也会产生问题，可以使用包含某种类型的内部偏置电流补偿的运算放大器。如果没有这种抵消，偏压电流就会在外部阻抗中流动，并产生增加系统误差的电压。通过抵消，电路还具有低电压噪声、低偏置和最小漂移，但可能会遇到电流噪声。

实际运算放大器也有一个输入偏置电流(IOS)，即IB+和IB-之间的差值。只有当两个偏置电流匹配时，输入偏置电流才成为一个因素。如果运算放大器有内部偏置电流补偿，则偏置电流的大小与偏置电流的大小相同。

当我们回顾理想运放特性时，我们还发现输入和输出电压等于零。与理想的输入和输出电压为零相比，典型的运放的输入偏置电压约为2毫伏。施加在输入端的小差压迫使运放的输出为零。放大这个非常小的电压会产生一个更大的输出电压，并引入直流误差。

实际的运算放大器有一个开环电压增益，它等于输出电压变化与没有反馈的输入电压变化的比值。与理想运放相反，实际运放在低频输入时具有高电压增益。随着输入频率的增加，电压增益减小。

现在，让我们比较一下理想的工作特性和通用实用运放的特性。

运算放大器电路分析

使用或朝着理想的运算放大器工作是伟大的;然而，如果你不得不使用一个非理想运放呢?利用强大的电路分析技术可以确保运放的使用不会烧坏电路，而是在整体电流和电压流中继续适当和优化地工作。

特别是对于运算放大器，我们将研究偏置，或没有信号施加的稳态工作特性，以及增益，其中您很可能会遇到开环或闭环电压增益。

运算放大器中的直流偏置

为了确定你的直流偏置，你需要知道输入偏置电流的特定的运放你使用。通常，你可以在你的数据表中找到它，如果没有，它应该是一个相当快速的模拟。知道输入偏置后，就可以求出直流输出偏置电压。这可以根据你使用的是反相运算放大器还是非反相运算放大器而改变，其各自的特性取决于反馈电阻，从而导致成比例的电压增益。

运算放大器的输入和输出偏置

虽然上面我们解释了理想运放的输入和输出，但重要的是，非理想运放还涉及其他特性。像电压跟随电路和统一电压增益这样的东西允许你设计更细致和复杂的电路，你越了解运算放大器与电路中电流和电压流的关系。

运放的电压增益和电流流量

你通常可以通过运算放大器之间的输入电阻和反馈电阻来观察电路中的电流流动。你甚至可以在利用电阻的电路中或朝着电路工作，从而创建一个虚拟地。

运算放大器特性与PCB设计

了解理想特性和实际特性之间的差异可以让您选择运算放大器特性，通过精确匹配您的应用需求来提供最佳性能。如果不了解运算放大器在低噪声、高速应用中的工作原理，电路性能就会受到影响。以实际运放为例说明了非理想特性。

当你设计PCB时，记住运算放大器是模拟的。你的布局应该把运算放大器电路划分在电路板的一个单独的部分。使用高速模拟电路不仅影响电路板的布局，而且还影响PCB所用材料的选择。PSpice也可以模拟和分析任何这些实际运放特性对电路整体功能的影响。

当涉及到设计一些改变电源和信号状态的finnicky组件时，你会希望能够信任你的仿真、分析和建模的努力。与OrCAD的PSpice软件您可以从超过34,000个列表的库中选择组件模型，并为您的设计准确地评估模型参数。

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