運(yùn)算放大電路的非線性特性

上午的“信號與系統(tǒng)”課程講述到系統(tǒng)的分類的基本概念，包括因果與非因果系統(tǒng)、時變與時不變系統(tǒng)、即時系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng)、線性與非線性系統(tǒng)等等。在信號與系統(tǒng)課程中所提供的基本方法是專門針對同時滿足線性和時不變特性的系統(tǒng)的。作為課程的補(bǔ)充，下面討論一下不為人所重視的運(yùn)算放大電路的非線性特性。

▌01運(yùn)算放大器的非線性

1.運(yùn)算放大電路

作為信號處理的常用器件，運(yùn)算放大器，在其信號處理范圍之內(nèi)，通常認(rèn)為是線性器件。也就是它的增益不隨著信號的幅度變化而改變。影響運(yùn)算放大電路精度的因素，或者說它的線性特性主要是由它的輸入偏置電壓、偏置電流造成的輸出零點的偏移。這一點往往可以通過增加零點補(bǔ)償調(diào)整電阻進(jìn)行消除。

但是對于運(yùn)放的非線性，即它的開環(huán)增益隨著信號幅度變化而變化的特性往往并不為人所重視。這是因為在常見到的運(yùn)算放大電路中，通常采用反饋放大器的形式，只要運(yùn)算放大器的增益足夠大，電路的放大倍數(shù)是由外部的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)決定的。比如下面的電路：

▲ 基本的應(yīng)用電路

它的增益為：

其中：α是反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的比值：，是運(yùn)放的開環(huán)電壓增益。如果足夠大，電路的增益將會由R1，R2的比值決定。

但是作為精密放大電路，特別是要求放大倍數(shù)比較高的時候，隨著輸入電壓的變化，也就是運(yùn)放的非線性就不能夠忽略了。特別是，這種非線性無法向電壓零點補(bǔ)償那樣容易消除。

2.如何測量運(yùn)放非線性？

通常在運(yùn)算放大器芯片的數(shù)據(jù)手冊中不會給出芯片的非線性指標(biāo)。那么如果評估芯片增益的非線性呢？

一些主要提供運(yùn)放器件的半導(dǎo)體廠家會在其網(wǎng)站給出一些測量他們運(yùn)放產(chǎn)品開關(guān)增益測量方案，比如TI公司TI:Gain and Linearity Testing for Precision Operational Amplifiers[1]，或者ADI公司AD:Op-Amp Open Loop Gain and Open Loop Gain Nonlinearity[2]。

這些方案也都是比較成熟的測量方式。為了能夠?qū)τ谕ǔ１容^大的運(yùn)放開環(huán)電壓增益（通常大于100000）進(jìn)行測量，所采用的方法是對反饋電壓再經(jīng)過分壓之后連接至運(yùn)放的負(fù)極性輸入端口。這樣便可以將運(yùn)放輸入端微小的電壓放大之后反映在電路的輸出端口。

比如下面?zhèn)€電路就是分別來自TI，ADI公司的測量方案：

▲ TI:OP-AMP增益與線性測試電路

▲ AD：運(yùn)放開關(guān)增益與開環(huán)增益非線性

通過在輸入端加入低頻三角波形（10~50Hz）信號，通過觀察輸出信號的變化可以獲得器件的開環(huán)電壓增益以及對應(yīng)的非線性。

▌02實驗結(jié)果

下面的實驗來測量一款常見的運(yùn)放它的電壓增益的非線性。

1.測試芯片

用于實驗的芯片為HA17741[3]是一款由HITACHI提供的頻率相位補(bǔ)償?shù)耐ㄓ眠\(yùn)算放大器，主要用于測試與控制領(lǐng)域。開環(huán)增益約106dB （200,,000倍），最大工作電壓±18V。下圖給出了期間的管腳功能定義。

▲ HA17741管腳配置

HA17741內(nèi)部的等效電路如下圖所示。

▲ HA17741內(nèi)部等效電路

根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看到芯片的輸入電壓偏置補(bǔ)償是通過PIN1,PIN5提供的。使用數(shù)字萬用表測量PIN1,PIN5對于PIN4（VEE）之間的電阻，阻值分別為（976Ω，975Ω）。下圖給出了外部通過一個三端電位器對芯片進(jìn)行輸入偏置電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

2.測試電路

根據(jù)前面ADI測測試方案，在面包板上簡單搭建起測試電路。其中放大器件偏置電壓信號是由R3、Ros的比值決定。它們實際上與運(yùn)放一起，減少了前向放大增益，進(jìn)而在輸出信號增加了運(yùn)放輸入信號放大之后的成分。

固定R3=1MΩ不變，通過改變Ros的大小，觀察輸出信號的變化。

3.測量結(jié)果

下面分別選擇Ros為∞Ω，100Ω，22Ω，10Ω，記錄運(yùn)放的輸出信號。輸入信號為峰峰值10V，頻率為10Hz的三角波信號。

□ Ros=∞Ω

下圖顯示，輸入輸出信號保持嚴(yán)格的反向，增益為 -1。此時運(yùn)放的非線性（增益隨著輸入電壓變化）的特性沒有反映到輸出信號中來。

▲ 輸入信號（藍(lán)色）與輸出信號（青色）

□ Ros=100Ω

在輸出信號中，對于運(yùn)放的輸入信號相當(dāng)于放大了倍。從觀察上來看，電路的增益變小了，但是輸出的波形整體上還是一個三角波形。

▲ 輸入（藍(lán)）與輸出（青）信號

□ Ros=22Ω

此時電路放大倍數(shù)已經(jīng)降低可-0.5左右。輸出信號的非線性比較明顯了。特別是當(dāng)信號比較大的時候，也就是輸入信號三角波的定點，對應(yīng)的輸出信號變得圓滑了。

▲ 輸入（藍(lán)色）與輸出（青色）信號

□ Ros=10Ω

在此偏置分壓電阻下，對于運(yùn)放輸入電壓相當(dāng)于放大了，表現(xiàn)在電路的增益更小了。而且輸出電壓變化不再是隨著輸入變化呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系。

▲ 輸入信號（藍(lán)色）與輸出信號（青色）

下圖是將輸出信號通過示波器放大之后，可以更加明顯體現(xiàn)出運(yùn)放的增益中存在的嚴(yán)重的非線性。

▲ 輸入信號（藍(lán)色）與輸出信號（青色）

▌結(jié)論

通過運(yùn)放開環(huán)增益測量電路看到運(yùn)算放大器是一個嚴(yán)重的非線性器件。在實際應(yīng)用中是通過電壓反饋來抑制了運(yùn)放對放大電路的影響。

原文標(biāo)題：運(yùn)算放大器是線性器件嗎？

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