本篇討論放大器參數(shù)是在工程師選型時(shí)，存在感很低的開(kāi)環(huán)增益（或大信號(hào)增益）。

 

1、開(kāi)環(huán)增益與大信號(hào)電壓增益定義

 

開(kāi)環(huán)增益（Open-Loop Gain，AVO或Avol），是指不具負(fù)反饋情況下(開(kāi)環(huán)狀態(tài))，放大器的輸出電壓改變量與兩個(gè)輸入端之間電壓改變量之比。常以dB為單位。數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)表中，通常給出直流條件下的開(kāi)環(huán)增益值，另外提供開(kāi)環(huán)增益隨頻率變化而變化的曲線。如圖2.68，為ADA4077開(kāi)環(huán)增益與頻率的關(guān)系。這個(gè)曲線必須重視，它會(huì)在多個(gè)交流參數(shù)的評(píng)估中使用。

與開(kāi)環(huán)增益近似的參數(shù)是大信號(hào)電壓增益（Large Signal Voltage Gain,AV）,定義為電路開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，輸出電壓變化量與兩個(gè)輸入端之間電壓變化量的比值。如圖2.2，ADA4077的大信號(hào)電壓增益為130dB（典型值）。二者的區(qū)別在于大信號(hào)電壓增益AV，默認(rèn)為有輸出負(fù)載。它通常作為一種測(cè)試條件，用于輸出阻抗、總諧波失真加噪聲等參數(shù)的測(cè)試中。

 

圖2.2 ADA4077 輸入特性參數(shù)

 

2、開(kāi)環(huán)增益仿真

 

在開(kāi)環(huán)增益的電路仿真中，使用通用放大器模型，與真實(shí)放大器模型存在明顯區(qū)別。如圖2.69為通用放大器模型，增益為-1倍，反相輸入端網(wǎng)絡(luò)b,與反饋端網(wǎng)絡(luò)a處于斷開(kāi)狀態(tài)。

 

圖2.69 通用放大器模型開(kāi)環(huán)增益仿真電路

 

AC分析結(jié)果如圖2.70，從10mHz至3Hz范圍的開(kāi)環(huán)增益為120dB，頻率超過(guò)10Hz之后，頻率每增加10倍開(kāi)環(huán)增益衰減20dB，頻率到10MHz處開(kāi)環(huán)增益為0dB。

 

圖2.70通用放大器模型放大器開(kāi)環(huán)增益AC分析結(jié)果

 

圖2.69放大器的反相輸入端缺少偏置電流回路，所以正確的仿真電路如圖2.71。ADA4077反相輸入端（b節(jié)點(diǎn)）與反饋端（a節(jié)點(diǎn)）之間串聯(lián)大電感L1,在直流條件下a、b節(jié)點(diǎn)視為短路，交流狀態(tài)下視為斷路，滿足ADA4077的直流工作點(diǎn)和開(kāi)環(huán)增益仿真需求。

 

圖2.71 ADA4077開(kāi)環(huán)增益仿真電路

 

AC分析結(jié)果如圖2.72，與圖2.68 ADA4077在±15V供電條件下的開(kāi)環(huán)增益與頻率圖近似相同。

 

圖2.72 ADA4077開(kāi)環(huán)增益AC分析結(jié)果

 

3、開(kāi)環(huán)增益對(duì)線性度影響

 

開(kāi)環(huán)增益對(duì)電路直流性能的影響，體現(xiàn)在它導(dǎo)致閉環(huán)增益的非線性。根據(jù)反饋理論閉環(huán)增益為式2-42。

 

(式2-42）

 

其中，β為反饋系數(shù)。噪聲增益Gn為β的倒數(shù)，因此閉環(huán)增益可以表示為式2-43。

 

 (式2-43)

 

當(dāng)開(kāi)環(huán)增益無(wú)窮大時(shí)，閉環(huán)增益就等于噪聲增益（同相放大的信號(hào)增益）。然而真實(shí)放大器的開(kāi)環(huán)增益存在限制，所導(dǎo)致閉環(huán)增益的誤差近似為式2-44。

 

  (式2-44)

 

以一款開(kāi)環(huán)增益為120dB（1000000倍）的放大器為例，噪聲增益為100時(shí)，閉環(huán)增益誤差為0.01%。如果開(kāi)環(huán)增益保持不變，那么無(wú)須測(cè)量直接標(biāo)定處理0.01%的增益誤差。但是開(kāi)環(huán)增益受到工作環(huán)境影響產(chǎn)生變化時(shí)，便會(huì)引起閉環(huán)增益的不確定度。當(dāng)示例中的放大器受工作環(huán)境影響，開(kāi)環(huán)增益下降到100dB時(shí)，閉環(huán)增益誤差變?yōu)?.1%，即閉環(huán)增益誤差的不確定度為0.99%。

 

改變輸出電壓和輸出負(fù)載是引起開(kāi)環(huán)增益變化的常見(jiàn)原因。在已定的電路中放大器的負(fù)載是固定的，因此開(kāi)環(huán)增益受負(fù)載影響不大。但是開(kāi)環(huán)增益對(duì)輸出信號(hào)電壓響應(yīng)隨負(fù)載電流增大而增大。開(kāi)環(huán)增益和信號(hào)電壓的變化又會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)增益的非線性，這種非線性也無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定解決。

 

每個(gè)器件的非線性變化不相同，數(shù)據(jù)手冊(cè)也不會(huì)提供該參數(shù)。因此只有選擇開(kāi)環(huán)增益值較大的放大器，可以減小增益非線性誤差發(fā)生概率。但是產(chǎn)生增益非線性的原因很多，其中最常見(jiàn)的熱反饋。當(dāng)溫度變化是造成非線性誤差的唯一原因時(shí)，降低負(fù)載將會(huì)有所幫助。

 

如圖2.73，開(kāi)環(huán)增益非線性度的測(cè)量電路，增益設(shè)置為-1。根據(jù)開(kāi)環(huán)增益的定義，當(dāng)開(kāi)環(huán)增益很大時(shí)，對(duì)應(yīng)于整個(gè)輸出電壓變化范圍的輸入失調(diào)電壓只有幾毫伏。因此，使用10Ω電阻與Rg(1MΩ)分壓，得到節(jié)點(diǎn)電壓VY滿足式2-45。

 

（式2-45）

 

其中，根據(jù)期望的Vos值選擇Rg的大小。
 

 

圖2.73開(kāi)環(huán)增益非線性度測(cè)量電路

 

當(dāng)輸入幅值為±10V的鋸齒波信號(hào)，通過(guò)增益為-1倍電路，輸出信號(hào)Vo電壓在-10~+10V。由于放大器有失調(diào)電壓，通過(guò)電位計(jì)將初始輸出電壓調(diào)整為0V。該電路的開(kāi)環(huán)增益為式2-46。

 

(式2-46)

 

 

如果電路存在非線性，那么開(kāi)環(huán)增益將隨輸出信號(hào)的幅值變化而變化。開(kāi)環(huán)增益非線性度根據(jù)開(kāi)環(huán)增益的最大值和最小值計(jì)算如式2-47。

 

(式2-47)

 

閉環(huán)增益的非線性度是開(kāi)環(huán)增益非線性度與噪聲增益的乘積，如式2-48。

 

式（2-48）

 

理想情況下，輸入失調(diào)電壓和輸出電壓的關(guān)系是斜率為常數(shù)的直線，并且開(kāi)環(huán)增益等于斜率的倒數(shù)。斜率為零時(shí)，對(duì)應(yīng)的開(kāi)環(huán)增益無(wú)窮大。對(duì)于真實(shí)放大器，該斜率總受非線性、熱反饋等因素的影響，在整個(gè)輸出范圍內(nèi)變化，甚至改變符號(hào)。

（來(lái)源：電子星球APP，作者：鄭薈民）