OPA(Operational Amplifier,运算放大器)是现代电路设计中最常用的电子器件之一。它具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗、宽带宽等优点,广泛应用于滤波、放大、运算等电路中。而OPA的内部结构由多个级联阶段构成,下面我们从不同的角度来详细介绍OPA通常由什么级联阶段构成。
OPA的第一个构成级是符号放大级(input stage),也叫不变增益级。它由一个差分对(differential pair)和一个共模放大器(common mode amplifier)组成。符号放大级主要的作用是增益,它的增益大约在40-80dB之间,不变的增益特性使得OPA的输入特性非常稳定,能够有效地抑制共模干扰。
在符号放大级中,差分对通过输入端口接收信号,而共模放大器则将差分信号变换为单端信号,输出到下一个级联阶段。
电压放大级(voltage amplifier)是OPA的核心部分,也是增益最大的部分。它主要有两个级别:高增益的级和低增益的级。高增益的级目的是提供OPA需要的巨大增益,而低增益的级则是用来控制电压放大级的动态响应,提高OPA的带宽。
电压放大级由多个级联的晶体管和电容组成,且其中会设置类似频率补偿电路提高OPA的带宽。在这个级别中,信号被放大到了OPA的最大增益倍数(也称为开环增益)。
输出级(output stage)包含反馈回路,用于将输出信号与输入信号相减,形成反馈电压,控制OPA的输出。输出级为OPA提供了输出驱动能力和保护功能。输出电阻低,能够提供大电流输出,并能够驱动低阻抗负载。
在输出级中,还会设置短路保护电路和过热保护电路,以保护OPA免受损坏。同时,也会设置输出电压限制范围,避免输出电压超出电路的节能范围。
为了提高OPA的性能,还会添加其他辅助电路,在OPA中起到不同的作用。比如:温度控制电路、电源噪声过滤电路、补偿电路等。
温度控制电路会随温度的变化,调整OPA内部的电偏置,使得OPA在不同的工作温度下都能够保持较好的性能。电源噪声过滤电路主要用于去除电源的高频噪声。补偿电路是一种特殊的电路,用于修正OPA的误差,提高OPA的性能。