【導(dǎo)讀】今天上午的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程講述到系統(tǒng)的分類(lèi)的基本概念，包括因果與非因果系統(tǒng)、時(shí)變與時(shí)不變系統(tǒng)、即時(shí)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、線性與非線性系統(tǒng)等等。在信號(hào)與系統(tǒng)課程中所提供的基本方法是專(zhuān)門(mén)針對(duì)同時(shí)滿足線性和時(shí)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(hào)處理的常用器件，運(yùn)算放大器，在其信號(hào)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(hào)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(shuō)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(diǎn)的偏移。這一點(diǎn)往往可以通過(guò)增加零點(diǎn)補(bǔ)償調(diào)整電阻進(jìn)行消除。
但是對(duì)于運(yùn)放的非線性，即它的開(kāi)環(huán)增益隨著信號(hào)幅度變化而變化的特性往往并不為人所重視。這是因?yàn)樵诔Ｒ?jiàn)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(kāi)環(huán)電壓增益。如果
足夠大，電路的增益將會(huì)由R1，R2的比值決定。
，是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益。如果足夠大，電路的增益將會(huì)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(shí)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(wú)法向電壓零點(diǎn)補(bǔ)償那樣容易消除。
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(wú)法向電壓零點(diǎn)補(bǔ)償那樣容易消除。2.如何測(cè)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(cè)中不會(huì)給出芯片的非線性指標(biāo)。那么如果評(píng)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(huì)在其網(wǎng)站給出一些測(cè)量他們運(yùn)放產(chǎn)品開(kāi)關(guān)增益測(cè)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(cè)量方式。為了能夠?qū)τ谕ǔ１容^大的運(yùn)放開(kāi)環(huán)電壓增益（通常大于100000）進(jìn)行測(cè)量，所采用的方法是對(duì)反饋電壓再經(jīng)過(guò)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(lái)自TI，ADI公司的測(cè)量方案：
TI:OP-AMP增益與線性測(cè)試電路
AD：運(yùn)放開(kāi)關(guān)增益與開(kāi)環(huán)增益非線性
通過(guò)在輸入端加入低頻三角波形（10~50Hz）信號(hào)，通過(guò)觀察輸出信號(hào)的變化可以獲得器件的開(kāi)環(huán)電壓增益以及對(duì)應(yīng)的非線性。
02 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
下面的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量一款常見(jiàn)的運(yùn)放它的電壓增益的非線性。
1.測(cè)試芯片
用于實(shí)驗(yàn)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(cè)試與控制領(lǐng)域。開(kāi)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(guò)PIN1,PIN5提供的。使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量PIN1,PIN5對(duì)于PIN4（VEE）之間的電阻，阻值分別為（976Ω，975Ω）。下圖給出了外部通過(guò)一個(gè)三端電位器對(duì)芯片進(jìn)行輸入偏置電壓進(jìn)行補(bǔ)償。
2.測(cè)試電路
根據(jù)前面ADI測(cè)測(cè)試方案，在面包板上簡(jiǎn)單搭建起測(cè)試電路。其中放大器件偏置電壓信號(hào)是由R3、Ros的比值決定。它們實(shí)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(hào)增加了運(yùn)放輸入信號(hào)放大之后的成分。
固定R3=1MΩ不變，通過(guò)改變Ros的大小，觀察輸出信號(hào)的變化。
測(cè)試電路
3.測(cè)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(hào)。輸入信號(hào)為峰峰值10V，頻率為10Hz的三角波信號(hào)。
下圖顯示，輸入輸出信號(hào)保持嚴(yán)格的反向，增益為 -1。此時(shí)運(yùn)放的非線性（增益隨著輸入電壓變化）的特性沒(méi)有反映到輸出信號(hào)中來(lái)。
輸入信號(hào)（藍(lán)色）與輸出信號(hào)（青色）
在輸出信號(hào)中，對(duì)于運(yùn)放的輸入信號(hào)相當(dāng)于放大了151515倍。從觀察上來(lái)看，電路的增益變小了，但是輸出的波形整體上還是一個(gè)三角波形。
輸入（藍(lán)）與輸出（青）信號(hào)
此時(shí)電路放大倍數(shù)已經(jīng)降低可-0.5左右。輸出信號(hào)的非線性比較明顯了。特別是當(dāng)信號(hào)比較大的時(shí)候，也就是輸入信號(hào)三角波的定點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)變得圓滑了。
輸入（藍(lán)色）與輸出（青色）信號(hào)
在此偏置分壓電阻下，對(duì)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。
，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(hào)（藍(lán)色）與輸出信號(hào)（青色）
下圖是將輸出信號(hào)通過(guò)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(hào)（藍(lán)色）與輸出信號(hào)（青色）
結(jié)論
通過(guò)運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益測(cè)量電路看到運(yùn)算放大器是一個(gè)嚴(yán)重的非線性器件。在實(shí)際應(yīng)用中是通過(guò)電壓反饋來(lái)抑制了運(yùn)放對(duì)放大電路的影響。
參考資料
[1] TI:Gain and Linearity Testing for Precision Operational Amplifiers: https://www.ti.com/lit/an/snaa047a/snaa047a.pdf
[2] AD:Op-Amp Open Loop Gain and Open Loop Gain Nonlinearity: https://www.analog.com/media/ru/training-seminars/tutorials/MT-044.pdf
[3] HA17741: https://wenku.baidu.com/view/f0a43dcf08a1284ac8504379.html
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