我們上節(jié)講到音頻功放，那么我們今天從音頻功放入手導出運放來。

????????那么現(xiàn)在看到上圖左邊是一個音頻功放（上節(jié)講的），右邊的LM358（內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖）的參考資料?，F(xiàn)實中對于音頻功放來說它不需要考慮損耗，電壓范圍也比較固定，比如說36-50V，電阻電容體積可以用的比較大，一點點功耗對于它來說沒有任何區(qū)別，而實際芯片來說就完全不一樣了。芯片需要考慮封裝，所以說跟功耗是非常相關(guān)的，不考慮封裝隨便使用，會導致芯片燒毀或工作不正常。

????????上一節(jié)我們強調(diào)恒流源可以在很快的電壓下，電流不變，電流是恒定的。

????????我們知道LM358工作電壓是5-30V之間都可以工作，所以說直接用電阻的話，那電阻中損耗很大，因為大電阻在芯片中很難做，所以右半部分的電阻處恒流源表示，恒流源就是不管電壓多大，電流都是恒定的。

????????LM358的損耗跟電流是呈線性關(guān)系的，電阻的損耗跟電壓是成平方關(guān)系的，電流源和電阻的功耗上完全不等價。電壓越高電阻發(fā)熱量集聚增高。

????????右圖的輸入端使用的達林頓管組合，大大提高了輸入阻抗，47K換成了恒流源6uA的，2.2K換成了100uA的；左邊的集電極一個接電阻，一個直接導通了，所以對稱性不好，那么我們右圖采用了一個鏡像源，這樣就保證了左右對稱性良好。

????????對于音頻功放來說不要求對稱性很好，音頻功放100K/4.7K也就20倍的放大倍數(shù)而已，那么我們知道音頻功放的輸入源往往是隨身聽，輸入幅度就有1伏多了，不是個弱信號輸入，它實際上是個強的小信號輸入，所以放大倍數(shù)只需要20-30倍就夠了，加入我們的輸入是1-2伏那么輸出乘以20倍附近，那么就是20-40伏范圍，那么對對音響來說也就足夠大了，也就是說音頻放大不需要很多的放大倍數(shù)。

????????但對于運放來說，我們運放的放大倍數(shù)是無窮大，也就是說起碼幾百萬倍。所以說對輸入端的的對稱性要求就非常高，所以盡量保證輸入的同相和反相的對稱性，實際上也做不到完全對稱，我們看到右圖兩個背對背三極管多了一個基極和集電極的短接（Q8），但是基本是對稱的。

????????右半圖總的下來才6uA，所以Q10的驅(qū)動電流非常微弱；不像音頻功放，4.7k電阻上方點，該路上電流都是由上方47K電阻導致的，如果輸入是47伏，那么這個鏈路上就是百uA級別，而右半部是一個6uA的恒流源，所以Q10的基極驅(qū)動電流一半一半的分也就3uA，所以基極輸入的電流是非常非常少的；

????????但是是可以直接驅(qū)動的，而右邊的話Q10的基極電流太大會影響對稱性，所以這里Q10做了兩級跟隨電路和Q11，比如Q10射級跟隨跟隨一級再加一級Q11級的射級跟隨，之后就實現(xiàn)了電流驅(qū)動，電流驅(qū)動之后再驅(qū)動Q12反相器，Q12等價于左圖的TIP41，那么后面的電路就跟左邊的電路就一樣了（Q5和Q6等價于左圖的上邊連個三極管，Q13等價于左圖的下方右半部兩個三極管），Q7是保護電路用的（如果輸入電流過大通過Rsc運放內(nèi)部的電阻電壓過高，導致Q7集電極與發(fā)射極導通那么100uA的電流直接被拉走了那么Q5點基極的電壓就會下降，于是Rsc上方就輸不出電壓，就起到了芯片自我保護功能）

????????我們來看下相位，左圖我們之前講過輸入處的左邊三極管是同相輸入，右邊三極管是反相輸入，那么右圖恰好相反，Q1是反相輸入，Q4是同相輸入。我們看下是不是這樣子，假設Q4基極高，導致6uA電流流不通，導致Q9上方電流變小了，電流變小了Q10基極電壓就變低了，由于Q10的PN節(jié)導致Q11基極低，從而導致Q12基極低，導致Q13基極高（因為反相），導致Q5基極高，于是Q5、Q6通過Rsc到輸出是高，所以說Q4基極跟輸出是同名；那么我們來看看反相輸入端如果是高，導致Q2上部電平高，導致Q3、Q4通路上電流增高，導致通過右半邊的電流增加，導致Q10基極增高，導致Q10基極增高，導致Q12基極高，于是Q13基極電壓變低，Q13基極低了，導致輸出電壓也就低了。

????????右邊圖我們會看到一個問題，也就是Q12這個三極管，再怎么樣弄都有個問題，Q12的導通電壓不可能低于0.3伏，因為三極管的CE之間的電壓不會低于0.3伏（飽和導通后）Q13基極0.3伏，那么Q13上部PN節(jié)最低也不會低于0.5伏，那么0.3+0.5輸出就是0.8伏，就是再怎樣輸出也不會低于0.8伏，這是從Q13角度看。我們再從上邊看Q12上方0.3伏，到Q5下方一個管子導通最起碼要0.5伏，Q6導通也是0.5伏，那么0.3伏不足以驅(qū)動Q5導通，所以Q5完全沒有導通，是截止狀態(tài)的，也就是說出現(xiàn)在0.8伏或者更高的一個電壓內(nèi)輸出電壓處會出現(xiàn)一個盲區(qū)，比如我讓正相輸入端為低電平的時候讓輸出為一個低電平的時候，它不可能完全到地，它可能處于一種懸空狀態(tài)，那么后級是一個電容性負載的話，就是有一定的電容的話，這個電容里面因為存電，電容里的電釋放不掉，因為Q13在輸出是0.8伏的時候，電流不能到地導通，于是導致輸出不能到地的一個電壓輸出存在，這是LM358對地的一個接法，不是雙電源的（左邊是雙電源，右邊是單電源的），也就是右邊電路對地接，它是不能完全到地的，原因就是三極管有個壓降在到地這條通路上，導通之后有壓降，一般來說要彌補這個問題可以在輸出端對地下拉一個電阻，比如說1K或者更小的，看實際情況，把輸出拉下來，否則就會在靠近地的時候存在一個懸空態(tài)。

????????那么同理電源Vcc這一塊，它也不可能完全到Vcc，因為Q5、Q6不可能完全導通，假如說Q5基極完全是Vcc電壓，那么輸出也是Vcc-1伏（Q5（0.5伏）和Q6（0.5伏）導通需要1伏的電壓），這里取0.5不要取0.7，0.7往往是電流比較大的時候一般來說幾十毫安啊到百毫安附近的時候，這個PN節(jié)的壓降有0.7伏甚至更高一點，比說我們常用的EN4001這個二極管，它的電流在1安的情況下的壓降在1伏，那么電流在毫安級別的時候壓降大概在0.7伏附近，那么之后電流再小的話那么壓降會到0.5伏，那么我們這里呢一樣的道理，這個電流比較小比如說uA級別了，比如說Q5處的基極總共才過來100uA，那么通過Q5、Q6幾十uA的話，那么這個壓降可能是0.6甚至是以內(nèi)，所以我們?nèi)€0.5吧，但是這個根據(jù)實際情況來取就可以了，那么最高供電如果是20伏的話，那么最高也就是19伏，實際上加上這個恒流源有一定的壓降之后，那么電壓可能就是17-18伏，是到不了20伏的。也就是輸出電壓最小到不了地，最高到不了電源電壓，這是所有運放的特性，包括后面的CMOS電路，包括軌對軌也好，那怕真的是軌對軌它也不可能百分之百到電源和地，只能說是接近。

?????????那么Cc這個電容，那么左邊也有一顆類似的電容，Cc是個相位補償電容，這個后面再講，通過右圖我們看到它沒有4148這個管子，上節(jié)課我們說過4148是解決交越失真用的，就是說讓左邊上邊右邊的三極管處于導通的初始態(tài)（線性區(qū)的起始端），而右邊電路的100uA下通路是沒有的，是直接連通的，那么因為運放的放大倍數(shù)足夠大，我們一般工作在放大倍數(shù)比較大的條件，因為運放本身，假如輸出電壓偏一點點，它馬上反饋到輸入端，可以彌補，這個交越失真不會影響的特別大，因為運放一般工作在小信號下，那么這個實際內(nèi)部到底有沒有老師也不是很清楚，因為右圖畢竟是一個簡化圖。

真實運放的缺陷

1、輸入阻抗不為無窮大

????????用過這種雙極性運放的人（用三極管的我們叫雙極性運放），我們會發(fā)現(xiàn)這么一個現(xiàn)象，比如說我們的輸入端接一顆LED燈，你會發(fā)現(xiàn)這個LED燈比如說Q1的基極，LED燈正極接Q1基極，負極接地，你會發(fā)現(xiàn)這個LED燈是會亮的，那怕是6uA很微弱的電流都可以把LED點亮，以前我很驚訝，一直認為這個運放輸入阻抗很大很大，但實際中發(fā)現(xiàn)既然能夠讓LED燈點亮，那現(xiàn)象也是6uA的電流從Q2到Q1到輸入端出來了，經(jīng)過LED再到地，形成了回路，因為LED變亮需要很微弱的信號就夠用了，這個起碼說明了輸入阻抗不為無窮大。

2、輸出阻抗不為零，單電源供電無法輸出零

????????單電源供電無法輸出零剛才已經(jīng)說過了。那輸出阻抗不為零，運放內(nèi)部有個保護電阻Rsc，那怎么可能為零呢。

3、偏置電流不為零

????????那么我們看到Q1和Q2加入輸入任何一個信號Vcc電源都會通過Q2、Q1倒灌到輸入端輸入信號中，這個偏置電流是倒灌型的，所以說都有個偏置電流。

4、失調(diào)電壓不為零

5、失調(diào)電流不為零

????????失調(diào)電壓和失調(diào)電流不為零，原因是什么呢，我們剛才說了，Q8和Q9是不對稱的，不可能完全對稱，你包括后級的一些工作點不可能完全對稱，那么肯定存在有失調(diào)電壓，既然存在失調(diào)電壓那么就也存在失調(diào)電流。失調(diào)電壓什么意思呢，就是讓輸出端為0的時候，輸入電壓和電流是多少。很多人可能搞不清湖，失調(diào)電壓，失調(diào)電流，偏置電流的區(qū)別，偏置也就是說Vcc倒灌到輸入端的電流是多大，那么我們兩端輸入都有個電阻接地都會從供電電源到輸入端有個偏置電流過來，那么這個時候輸出可能還是不為0的，那么我們就需要調(diào)整左右兩邊的電阻阻值，然后輸出為0，那么這個調(diào)整過程其實就叫失調(diào)。偏置就相當于三極管，屬于工作點了，因為輸入沒有偏置電流的話他就無法工作。

6、注意帶寬增益積

????????這個值很有意思的，我畢業(yè)的時候曾經(jīng)給清華的一個碩士協(xié)助他畢業(yè)論文實現(xiàn)，里面做到一個機關(guān)的聲光調(diào)制器，因為他那個是一個射頻，他們當時是具體技術(shù)方面無法實現(xiàn)，我恰好擅長于這方面，于是讓我協(xié)助他們，它是一個70MHz的一個信號源，要把它70MHz用晶振產(chǎn)生的信號源，信號幅度可能1伏附近，要把它變成一個40伏的一個強信號，去驅(qū)動液晶屏之后讓液晶屏，形成通和斷，黑和亮狀態(tài)，把這個激光擋出去。那么我當時就是需要把這個1伏峰峰值70MHz的信號放大成40伏峰峰值，我當時想的很簡單，無非就用音頻電路，因為音頻電路頻率從20—20KHz，那我選擇一個更好的運放，然后再加后邊的驅(qū)動不就搞定了嗎，后來運放我采用了當時音頻系統(tǒng)里最好的芯片，或者叫視頻運放，型號是AD827的，它的頻帶達到了50MHz了，沒有注意這一點，當時我是做的負放大（反相輸入放大），結(jié)果示波器一測輸入1伏的信號，輸出結(jié)果比1伏還小一些，當時就傻眼了，那么這個方案就完全被推倒了，后來認識到，芯片手冊上寫的50MHz其實就表明了放大倍數(shù)為1差不多的時候最高頻率工作點，那么現(xiàn)在都超過70MHz了，實際工作在70MHz上，超過50MHz了，那么這個放大器就變成縮小器了，肯定不適合了，后來又專門弄了一個30的射頻模塊。那么從這個事情知道呢，包括很多三極管它寫的比如說最大帶寬是多少，比如說200MHz的，那你實際使用的時候，要遠遠小于這200MHz，比如說它寫的是200MHz的，你實際使用可能用到20MHz就了不得了，甚至很多時候都10MHz就可以了。比如說我現(xiàn)在一個高頻電源，頻率大概在1MHz附近（工作頻率），那么我現(xiàn)在用了一顆140MHz的運放比較器，那么就遠離這個截止頻率。頻率越高，放大倍數(shù)就不能太大，工作頻率越低的時候放大倍數(shù)就可以大上去，那么他們兩個乘積是一個恒定的值。如下圖

這是一個LM358的帶寬增益積，我們可以看到縱坐標在低頻下它的放大倍數(shù)可以在110dB，到1M的時候它基本上是0dB了。那么我們dB和放大倍數(shù)怎么算呢，就是dB=20*log(Av)

????????如果是dB是60，我們通過公式算出放大倍數(shù)是60/20=3，也就是10的三次方，也就是1000倍，那么60對應過來的是1KHz，那么1000*1KHz也就是1MHz，所以說帶寬乘以積就是1MHz，那么LM358的帶寬增益積就是1MHz附近。那么LM358的截止頻率也可以理解為1MHz。截止頻率其實就是帶寬增益積。

7、存在共模放大，盡量用反相輸入

????????因為運放有同相輸入和反相輸入，那么我們一般用的時候呢，就是同相和反相之間的差作為放大，但實際上呢運放因為存在一些特性，它的共模的時候就是說同相端和反相端同樣輸入同樣的電壓，輸出這個值也會變的，會導致這個共模放大，所以有個共模抑制比這個指標（CMRR），就是差模放大倍數(shù)除以共模放大倍數(shù)，之后再取log表征對共模抑制的指標的好壞。

8、存在系統(tǒng)延時，需要補償

????????任何一個運放，我們一個信號從輸入端到輸出端，因為有長度在，光速也就是3*10八次方，那么也就會有時間上的延時，那么再加上有電感,輸入到輸出有長度，有長度就是有電感，一般的講1mm等于1納恒，那么里邊有集成電容等等因素在，這會導致輸入的信號跟輸出信號不等價，輸出信號會落后于輸入信號，那么導致反饋回去的信號比原來輸入的信號延時了，導致相位延時，這個反饋的時候需要補償，這個問題我們后面講。第一幅圖的電容就是相位補償?shù)摹?/p>

常規(guī)的運放電路

????????反相放大中的R3的取值盡量是r1和r2的并聯(lián)。當然對一些要求不高的（失調(diào)），那么R3不要同相輸入端直接接地也沒關(guān)系。R3等于r1和r2并聯(lián)，等價于我們輸入端（同相和反相）偏置電流都保證一致是起這個用處的。對一些很精密的地方需要用到。

????????同相放大的R3也可以不要。

增益帶寬積

????????電壓放大，增益一般用dB來表示，電壓和電流要乘以20，功率乘以10。功率為什么乘以10呢，因為功率是電壓乘以電流的，那么電壓和電流兩項了，那么自然有個2在里面，所以說它只需要乘以10就可以了。

相位延時

????????這里講下相位延時引起的問題。運放剛才說了，因為它有腳位，有芯片的長度，里面有電感，里面又有電容，那么就會導致相位延時，我們可以看到這個圖隨著頻率越來愈高，剛開始這一段放大倍數(shù)是比較固定的，當頻率越來越高，放大倍數(shù)會急劇下降，因為增益帶寬積是固定的，隨著頻率越高，增益會大幅度下降，增益在下降的過程中我們可以看到相位其實也在變化，相位從0度向45度和90度變化，原因就是頻率高了的時候運放的延時就表現(xiàn)出來了，運放延時表現(xiàn)出來之后，我們從電路上講要加補償，如下圖

補償有兩種辦法

1（左圖）、輸出端經(jīng)過一個電容，對信號進行補償。

????????那為什么并上一個電容呢，Cb的取值一般在10pF—1000pF范圍內(nèi)，因為取大了性質(zhì)就變了，可能就變成低通濾波或者其它性質(zhì)，比如說積分，更大就成積分電路了，10pF—10pF小容量的話，目的就是為了相位補償。為什么電容能夠做相位補償呢，我們可以看到，電容對正弦波來說它的電流超前電壓90度，加入說輸出端出現(xiàn)一個電壓，它其實電流呢超前電壓90度了，90度提前了，我們說電阻電壓跟電流是同相位的，而我們這里用了電容那么電流超前電壓90度，那就把落后的（運放一般最多落后90度）相位通過電容在反饋回路上相位在0—90度內(nèi)，那這樣可以彌補運放引起的落后，利用電容的電流超前電壓90度這個特征把相位彌補回去。相當于我提前把信號反饋回去。

???2（右圖）、C2我輸入端，通過電容移相，讓電流超前電壓90度，彌補到正端去。

????????那么相位補償我們通常用在什么地方呢，比如說我們的LM358，加入它的截止頻率在1MHz，那么加入我工作在10-20KHz呢，就不需要相位補償了，根本不需要；那只有到接近極限的時候，比如說在100KHz了，那這個時候就有必要做相位補償了，因為什么，你頻率很高之后，這個駐極越來越短，駐極越來越短之后里面的相位延時就是系統(tǒng)延時引起的相位延時已經(jīng)足夠影響駐期了，比如說達到1/10或者1/5的話，那就有可能進入到極點，因為我們知道我們這個是放大器是工作在反相區(qū)域，那輸入增高，那輸出就變低，屬于反相，那么當運放本身又移動90度相位的時候，那就變成270度了，270度就有可能進入到360度，360度我們就是說認為是震蕩，自擊震蕩狀態(tài)了，很容易進入自擊狀態(tài)上去，假如說負載驅(qū)動的是一個容性負載，它會把這個相位進一步拉大，超過270度的話，那么就必然落到360度的自擊震蕩里邊去了，那么導致系統(tǒng)會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。那么為了彌補這個東西我們加了一個電容，用它的電流超前電壓90度，去彌補這個相位問題。

????????那么LM358芯片內(nèi)部包括很多芯片的芯片內(nèi)部，實際上都有一定的電容補償?shù)?，那么就是我們剛開課時講的那個小電容Cc就是這個目的，實際上在第一圖的左圖電容也是個相位補償。Cc接在Q5基極，基極點位高，輸出也為高，因為是Q5、Q6到輸出是同相位的射極跟隨，Q5基極可以認為接的是輸出端，那它反饋到了Q10的基極，我們來看反相輸入端輸入高，導致左邊通路電流變小，方向輸入端為高，導致6uA通路也高，導致Q3、Q4電流變大，于是Q10基極高，導致Q11變高，導致Q12基極變高，導致Q13基極變低，所以說Q10基極高的時候Q5基極變低（反相的），反相輸入端跟Q10屬于同相位的，而Q10和Q5的基極是同相位的，也就是說內(nèi)部實現(xiàn)了一個反相的并聯(lián)的一個電阻，那么內(nèi)部的電容也可以放在反向輸入端和輸出端之間，但是一般他們不這么做，都是放在內(nèi)部的，因為放在外部有個缺點，影響了Q1、Q2的輸入阻抗，一般做法都是并在Q5和Q10基極之間，只不過Q10基極和反相輸入同相位，Q5基極與輸出端同相位。

積分放大

開關(guān)電源里大量存在積分電路，上圖是一個RCC的開關(guān)電源，什么是RCC呢就是電阻、電容、電容。我們山寨手機里用的充電器，大部分都是RCC電路。5W或10W之內(nèi)的開關(guān)電源用的都是上圖點路。因為它的成本最低，簡單，可靠性也不錯。它是個硬開關(guān)，那么它的積分電路在哪呢？就用在右半部的下邊2個電阻和一個電容，還有一個TL431反相比較器，當TL431右邊超過2.5伏的時候，那么類似二極管的負極處就是低，我們就可以認為是個反相輸入運放，那么反相輸入運放，通過一個電阻和一個電容反饋到右邊

這里是采樣信號，比如這里10伏通過3:1的到一個2.5伏的電壓，如果低于2.5伏

????????這個地方截止不導通，那么高于2.5伏，管子就導通，然后通過一個電阻和電容實現(xiàn)反饋。那么這里反饋電阻與輸入點實現(xiàn)了一個放大倍數(shù)的控制，電容實現(xiàn)了積分，那么這就是一個有一定放大倍數(shù)的積分電路。那么這里為什么用積分電路，能不能把電容去掉呢，就變成一個放大倍數(shù)就可以了。雖然說可以，但是我是讓輸出為10伏的話它就會達不到10伏，你如果去掉了這個電容，那電阻直接反饋回去的話，最多只用了P算法（比例算法），有誤差存在，比如說，你這10伏分壓后2.5伏，管子參考點里邊2.5伏，如果2.5伏跟2.5伏參考點完全一樣的話沒有誤差的話，那么好了它這個TL431它就不會放大了。因為我們知道放大器必須要有誤差才能放大，于是導致就有可能你必須要實際電壓輸出會偏離10伏，因為得不到恰好這個10伏的值，那實際上很多電源呢也不用特別精準，比如說我要達到10伏就恰好要10伏可能9.8伏啊也夠用，一般來說實際上關(guān)系也不大，但是如果采用積分算法的話，它可以消除這個誤差，它通過積分把誤差積累起來，消除這個誤差，那么具體這一塊大家可以查下PID算法這一塊。因為I算法可以消除這個誤差項。

到此本章內(nèi)容結(jié)束！