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集成运算放大器的理论挑战

为什么说应用集成运算放大器会遇到理论的挑战？原因很简单，这就是引入了深度负反馈。

电子技术基础课程中，往往是说负反馈的优点多，负反馈的缺点却很少提及，顶多就是深度负反馈可能会引起自激振荡。那么在实际应用中应用集成运算放大器受到了哪方面的电子技术基础课程中所学的理论的挑战？

第一、负反馈需要放大器具有更高的开环增益

世界上的任何事情都是要有付出的，尽管负反馈可以为放大器带来诸多好处，但是在实际上也对放大器性能的要求随之提高了，也许这就是在利用负反馈获得放大器稳定的、优异的特性同时需要付出的代价。

首先：放大器需要付出高增益的代价：要想通过负反馈改善放大器的性能，就需要深度反馈，在电路精度为2%时，反馈深度至少要超过100；如电路精度要达到0.01%甚至要超过20 000。如此深度反馈需要放大器具有开环增益至少为闭环增益100倍甚至20 000倍。在保持放大器的闭环电压增益的同时，大幅度提高放大器精度实际上需要大幅度提高放大器的性能。试想，放大器增益从100提高到10 000 000的跨度将有多大！

放大器引入负反馈后的增益为：

式中很明显的表示了，引入负反馈后增益为开环的1/（1+AF）。

第二、负反馈展宽带宽实际上是放大器本身性能已经有了质的飞跃

放大器需要付出满足要求的带宽：模拟电子技术教材中几乎无一例外的讲负反馈可以提高放大器的带宽。但是事实上却不是那么回事。所谓负反馈展宽放大器带宽是以牺牲放大器闭环增益为代价的。当放大器在开环状态下，放大器的开环增益随频率降低到闭环的增益时，对应频率与引入负反馈的带宽是一样的。这就是说，要想通过负反馈展宽放大器的带宽需要放大器在开环状态下具有与闭环相同增益下的带宽。

放大器引入负反馈后带宽展宽的结果为：

但是放大器的增益却变成了：

两者乘积为：

这就是说，一个放大器的增益带宽乘积是一个常数，无论怎样引入负反馈也无济于事，要想增加闭环带宽就要付出同样代价的增益降低。

也就是说一个100 000倍放大器在100倍对应的转折频率为5kHz，通过负反馈后得到100倍的闭环增益的带宽也只能达到5kHz，绝对不可能达到10kHz！这就是后来的运算放大器为什么还要有宽带放大器与通用放大器之分。

第三：负反馈需要付出的代价

负反馈可能引起放大器的自激振荡：引入负反馈还要维持原来的闭环增益，需要极高的开环增益，这样就需要多级放大器来实现。这就带来一个问题，也就是说三级或三级以上的放大器级联，这就存在自动控制理论的三个极点。从自动控制理论可以知道，三个或三个以上极点的开环系统尽管是稳定的，其闭环后则有可能变为不稳定，特别是在两个极点或两个以上的极点在0dB开环增益时系统的稳定性变差或不稳定，放大器的稳定性变差的现象是输出出现严重的振铃或严重的超调；不稳定的现象则是自激振荡。

为了使得集成运算放大器在任何状态下都不会产生自激振荡就需要对集成运算放大器进行校正（也称为频率补偿）。而在实际应用中，集成运算放大器所采用的校正都是滞后校正，而且是将集成运算放大器原来的极点或者用零点对消，或者压制到0dB以下。而后者的开环频率特性的第一个转折频率仅仅为原集成运算放大器十万分之一甚至更低！这就使得通用型集成运算放大器的频率特性变得很差，这也是为什么现在还有第二代外补偿的集成运算放大器，目的就是要利用前馈补偿和合适的滞后校正获得尽可能宽的带宽。

由于要将集成运算放大器校正成单极点开环频率特性的同时，牺牲了放大器的瞬态响应。内补偿的通用型集成运算放大器的输出电压摆动速率仅仅为0.5V/μs。

从本质上讲，即使采用负反馈，要想获得优异特性的放大器，其开环放大器自身性能一定也是优异的才行。
第四：就是放大器的随频率变化的相位不同会使得非正弦信号通过放大器后产生失真，这是放大器自身特性，除非放大器的转折频率超过所处理信号频率的十倍以上，而这又对放大器提出了更高的带宽要求。同时也是负反馈所不能解决的。

第四、负反馈不能解决所有问题

负反馈可以有效地抑制因放大器开环增益变化对闭环增益的影响，也可以有效地抑制晶体管参数的漂移的影响，还可以有效地抑制晶体管非线性造成的非线性失真。从而获得放大器的稳定性和改善性能。

但是想要应用负反馈展宽放大器带宽几乎是不可能的，除非引入负反馈后的放大器开环就具有这样的带宽。也就是说，通用型集成运算放大器LM741的单位增益带宽约300kHz，在实际应用中，无论怎样引入负反馈闭环带宽也不会达到1MHz。闭环100倍的电压增益，无论怎样做也达不到50kHz甚至是20kHz带宽。

由于引入深度滞后校正，输出电压摆动速率大大降低，导致大信号输出状态下的带宽（功率带宽）急剧下降。LM741的功率带宽不到10kHz。这个数值可能是难以想象的。这就是说，对于LM741而言，无论怎样引入负反馈，大幅度输出的功率带宽也不会超过10kHz。

如果要引入负反馈彻底改善增益变化、漂移、非线性失真对放大器的影响，就要引入深度负反馈，很浅的负反馈则基本上看不到效果的。

可以利用负反馈提高输入阻抗和降低输出阻抗，但是放大器开环高输入阻抗是获得高输入阻抗的最好方法。利用负反馈大幅度提高输入阻抗同样需要深度负反馈，浅的负反馈基本上没有什么效果。同样，低输出阻抗也要建立在开环低输出阻抗的基础上才能得到更好的效果。

由于输出电压摆动速率的限制和深度滞后校正导致的额开环带宽的急剧变窄，使得通用型集成运算放大器在比较高频的状态下，根本看不到由于负反馈而带来的瞬态输出电阻的降低，瞬态输出电阻还是开环状态下的输出电阻，这是在实际应用中深度负反馈无能为力的（由于集成运算放大器自身特性的制约）。

深度负反馈需要极高的放大器开环增益，而分立元件所获得的极高的开环增益，其寄生参数会很大，很容易产生自激振荡现象。只有集成电路才能获得最小的寄生参数，因此集成运算放大器才是利用深度负反馈所得到的预想效果。