運算放大器 OP-Amp (四)

一般運算放大器的規格書都有提供開環增益頻率響應,在這一章會令大家更明白這是什麼,如何對線路設計的重要性。

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開環增益(Open-Loop Gain)

開環增益(通常稱為AVOL)是在沒有閉合反饋環路的情況下放大器的增益,因此稱為「開環」。對於精密運算放大器,該增益可以高到大約160 dB或更高,這代表是是1億倍的增益。

該增益從DC到主導極點(Dominant Pole)是平坦的。之後從那裡開始以6 dB /Octave 或20 dB /Decade 下降。(注:Octave是兩倍頻,Decade是10倍頻)。這稱為單極點響應(single-pole response)。

它會繼續以這種速度下降,直到它到達響應的另一個極點為止。第二極將使開環增益下降的速率增加一倍,即達到12 dB /倍頻程或40 dB /十倍頻程。

如果開環增益在到達第二極點之前已經降到0 dB(單位增益,unity gain)以下,則運算放大器在任何增益下都將是無條件穩定(unconditionally stable)的。在規格書上,這通常被稱為單位增益穩定(Unity Gain Stable)。

但是,如果在開環增益大於1(>0 dB)時達到第二極點,則放大器在某些情況下可能不穩定。我利用兩張圖為大家解釋可能更易明白。

圖一是「無條件穩定」的運算放大器,可見在0 dB時還在第一極點6 dB /Octave範圍。

Unity Gain Stable
圖一 「無條件穩定」的運算放大器

圖二是「可能不穩定」增益的運算放大器,可見達到第二極點12 dB /倍頻程時,開環增益還大於0dB。

Unstable
圖二 「可能不穩定」增益的運算放大器

由於這是顯而易見的「不穩定」,所以運算放大器生產商將產品推出市場時已設計成「無條件穩定」,例如texas instruments OPA820,規格書寫明「Unity Gain Stable」。但是如何驗證? 一般運算放大器的規格書都有提供開環增益頻率響應(Open-Loop Gain Frequency Response)圖,再以OPA820為例,開環增益頻率響應是這樣的-

frequency-response
圖三 開環增益頻率響應(圖片來源 TI OPA820 規格書)

這就是標準的Unity Gain Stable。

了解開環增益後,之後了解閉環增益、環路增益、信號增益和噪聲增益之間的差異說明就容易很多,而這些參數在選擇運算放大器非常重要。它們本質上是相似的,相互關聯的,但又有所不同。 我之後將詳細討論它們。

事實上,開環增益不是一個完全受到精確控制的規格。在生產上,它可以而且確實具有相對較大的範圍,並且在大多數情況下在規格中將以典型數字(typical)而不是最小/最大數字給出。 在某些情況下,通常是高精度運算放大器,其規格將是最低的。

voltage-gain
圖四 規格書上開環增益範圍(圖片來源 TI OPA820 規格書)

另外,開環增益會因輸出電壓電平和負載而變化。對溫度也有一定的依賴性。通常,這些影響程度很小,在大多數情況下可以忽略不計。 際上,這種非線性並不總是包含在該器件的數據手冊中。

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