運算放大器的物理限制
實際的運算放大器存在一些限制,在儀器設計中應予以考慮。
運算放大器的物理限制 -
- 電源電壓限制
- 有限頻寬限制
- 輸入失調電壓限制
- 輸入偏置電流限制
- 輸出失調電壓限制
- 壓擺率限制
- 短路輸出限制
- 有限的共模抑制比
電源電壓限制
運算放大器由外部直流電源(+VCC 和 -VCC)供電,它們是對稱的,數量級為 ± 10 V 到 ± 20 V。電源電壓限制的影響是放大器只能放大其電源電壓範圍內的訊號。運算放大器不可能產生大於電源電壓 (VCC) 的電壓,這在物理上是不可能的。對於商用運算放大器,限制大約比 VCC 小 1.5 V。
$$\mathrm{-V_{cc}<V_{0}<+V_{cc}}$$
有限頻寬限制
實際的運算放大器具有有限的頻寬。實際運算放大器的增益 (A) 是頻率的函式,其特徵是低通響應。
對於運算放大器,
$$\mathrm{A(j \omega)=\frac{A_{0}}{1+\frac{j \omega}{\omega_{0}}}}$$
運算放大器的截止頻率 (ω0) 表示放大器響應開始作為頻率函式下降的點。實際運算放大器的有限頻寬導致恆定的增益頻寬積,其影響是,當運算放大器的閉環增益增加時,其 3 dB 頻寬成比例地減小,直到在限制範圍內。
當運算放大器在開環模式下使用時,其增益將等於 A0,其 3 dB 頻寬將等於 (ω0)。因此,恆定的增益頻寬積變為 A0ω0 = K。
現在,如果放大器在閉環模式下使用,則其增益遠小於開環增益 (A0),並且運算放大器的 3 dB 頻寬成比例地增加。
輸入失調電壓
對於實際的運算放大器,在沒有外部輸入的情況下,運算放大器的輸入端可能存在輸入失調電壓。這種輸入失調電壓是由於運算放大器內部電路的不匹配造成的。
輸入失調電壓表現為反相和同相輸入端之間的差分輸入電壓。輸入失調電壓的存在會導致放大器輸出出現直流偏置誤差。
輸入偏置電流
對於實際的運算放大器,輸入偏置電流並不完全為零,即運算放大器的反相和同相端存在微小的輸入偏置電流。這些電流是由於運算放大器輸入級的內部結構造成的。輸入偏置電流的值取決於用於構建運算放大器的半導體技術。
輸出失調電壓限制
由於輸入失調電壓和輸入失調電流的影響,運算放大器還有另一個非理想特性,即輸出失調電壓。
壓擺率限制
實際的運算放大器只能產生有限的輸出電壓變化率。這個極限速率稱為壓擺率。實際的運算放大器具有有限的壓擺率。
$$\mathrm{S_{0}=(\frac{dV_{0}}{dt})_{max}}$$
短路輸出電流
對於實際的運算放大器,內部電源不是理想的,因為它無法提供無限量的負載電流。因此,另一個非理想的運算放大器特性是運算放大器的最大輸出電流受短路輸出電流 (ISC) 的限制。
$$\mathrm{I_{out}<I_{SC}}$$
共模抑制比限制
對於實際的運算放大器,存在有限的共模電壓範圍。對於運算放大器,CMRR 可以從任何特定運算放大器的規格書中找到。
$$\mathrm{CMMR\:(in\:dB)=20\:log|\frac{A_{DM}}{A_{GM}}|}$$