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集成運算放大器的理論挑戰(zhàn)
為什么說應用集成運算放大器會遇到理論的挑戰(zhàn)？原因很簡單，這就是引入了深度負反饋。
電子技術基礎課程中，往往是說負反饋的優(yōu)點多，負反饋的缺點卻很少提及，頂多就是深度負反饋可能會引起自激振蕩。那么在實際應用中應用集成運算放大器受到了哪方面的電子技術基礎課程中所學的理論的挑戰(zhàn)？
負反饋需要放大器具有更高的開環(huán)增益
世界上的任何事情都是要有付出的，盡管負反饋可以為放大器帶來諸多好處，但是在實際上也對放大器性能的要求隨之提高了，也許這就是在利用負反饋獲得放大器穩(wěn)定的、優(yōu)異的特性同時需要付出的代價。
首先：
放大器需要付出高增益的代價：要想通過負反饋改善放大器的性能，就需要深度反饋，在電路精度為2%時，反饋深度至少要超過100；如電路精度要達到0.01%甚至要超過20 000。如此深度反饋需要放大器具有開環(huán)增益至少為閉環(huán)增益100倍甚至20 000倍。在保持放大器的閉環(huán)電壓增益的同時，大幅度提高放大器精度實際上需要大幅度提高放大器的性能。試想，放大器增益從100提高到10 000 000的跨度將有多大！
放大器引入負反饋后的增益為：
式中很明顯的表示了，引入負反饋后增益為開環(huán)的1/（1+AF）
負反饋展寬帶寬實際上是放大器本身性能已經(jīng)有了質的飛躍
第二：
放大器需要付出滿足要求的帶寬：模擬電子技術教材中幾乎無一例外的講負反饋可以提高放大器的帶寬。但是事實上卻不是那么回事。所謂負反饋展寬放大器帶寬是以犧牲放大器閉環(huán)增益為代價的。當放大器在開環(huán)狀態(tài)下，放大器的開環(huán)增益隨頻率降低到閉環(huán)的增益時，對應頻率與引入負反饋的帶寬是一樣的。這就是說，要想通過負反饋展寬放大器的帶寬需要放大器在開環(huán)狀態(tài)下具有與閉環(huán)相同增益下的帶寬。
放大器引入負反饋后帶寬展寬的結果為：
但是放大器的增益卻變成了：
兩者乘積為：
這就是說，一個放大器的增益帶寬乘積是一個常數(shù)，無論怎樣引入負反饋也無濟于事，要想增加閉環(huán)帶寬就要付出同樣代價的增益降低。
也就是說一個100 000倍放大器在100倍對應的轉折頻率為5kHz，通過負反饋后得到100倍的閉環(huán)增益的帶寬也只能達到5kHz，絕對不可能達到10kHz！這就是后來的運算放大器為什么還要有寬帶放大器與通用放大器之分。
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負反饋需要付出的代價
第三：
負反饋可能引起放大器的自激振蕩：引入負反饋還要維持原來的閉環(huán)增益，需要極高的開環(huán)增益，這樣就需要多級放大器來實現(xiàn)。這就帶來一個問題，也就是說三級或三級以上的放大器級聯(lián)，這就存在自動控制理論的三個極點。從自動控制理論可以知道，三個或三個以上極點的開環(huán)系統(tǒng)盡管是穩(wěn)定的，其閉環(huán)后則有可能變?yōu)椴环€(wěn)定，特別是在兩個極點或兩個以上的極點在0dB開環(huán)增益時系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差或不穩(wěn)定，放大器的穩(wěn)定性變差的現(xiàn)象是輸出出現(xiàn)嚴重的振鈴或嚴重的超調(diào)；不穩(wěn)定的現(xiàn)象則是自激振蕩。
為了使得集成運算放大器在任何狀態(tài)下都不會產(chǎn)生自激振蕩就需要對集成運算放大器進行校正（也稱為頻率補償）。而在實際應用中，集成運算放大器所采用的校正都是滯后校正，而且是將集成運算放大器原來的極點或者用零點對消，或者壓制到0dB以下。而后者的開環(huán)頻率特性的第一個轉折頻率僅僅為原集成運算放大器十萬分之一甚至更低！這就使得通用型集成運算放大器的頻率特性變得很差，這也是為什么現(xiàn)在還有第二代外補償?shù)募蛇\算放大器，目的就是要利用前饋補償和合適的滯后校正獲得盡可能寬的帶寬。
由于要將集成運算放大器校正成單極點開環(huán)頻率特性的同時，犧牲了放大器的瞬態(tài)響應。內(nèi)補償?shù)耐ㄓ眯图蛇\算放大器的輸出電壓擺動速率僅僅為0.5V/μs。
從本質上講，即使采用負反饋，要想獲得優(yōu)異特性的放大器，其開環(huán)放大器自身性能一定也是優(yōu)異的才行。
第四：就是放大器的隨頻率變化的相位不同會使得非正弦信號通過放大器后產(chǎn)生失真，這是放大器自身特性，除非放大器的轉折頻率超過所處理信號頻率的十倍以上，而這又對放大器提出了更高的帶寬要求。同時也是負反饋所不能解決的。
負反饋不能解決所有問題
綜上所述，負反饋可以有效地抑制因放大器開環(huán)增益變化對閉環(huán)增益的影響，也可以有效地抑制晶體管參數(shù)的漂移的影響，還可以有效地抑制晶體管非線性造成的非線性失真。從而獲得放大器的穩(wěn)定性和改善性能。
但是想要應用負反饋展寬放大器帶寬幾乎是不可能的，除非引入負反饋后的放大器開環(huán)就具有這樣的帶寬。也就是說，通用型集成運算放大器LM741的單位增益帶寬約300kHz，在實際應用中，無論怎樣引入負反饋閉環(huán)帶寬也不會達到1MHz。閉環(huán)100倍的電壓增益，無論怎樣做也達不到50kHz甚至是20kHz帶寬。
由于引入深度滯后校正，輸出電壓擺動速率大大降低，導致大信號輸出狀態(tài)下的帶寬（功率帶寬）急劇下降。LM741的功率帶寬不到10kHz。這個數(shù)值可能是難以想象的。這就是說，對于LM741而言，無論怎樣引入負反饋，大幅度輸出的功率帶寬也不會超過10kHz。
如果要引入負反饋徹底改善增益變化、漂移、非線性失真對放大器的影響，就要引入深度負反饋，很淺的負反饋則基本上看不到效果的。
可以利用負反饋提高輸入阻抗和降低輸出阻抗，但是放大器開環(huán)高輸入阻抗是獲得高輸入阻抗的最好方法。利用負反饋大幅度提高輸入阻抗同樣需要深度負反饋，淺的負反饋基本上沒有什么效果。同樣，低輸出阻抗也要建立在開環(huán)低輸出阻抗的基礎上才能得到更好的效果。
由于輸出電壓擺動速率的限制和深度滯后校正導致的額開環(huán)帶寬的急劇變窄，使得通用型集成運算放大器在比較高頻的狀態(tài)下，根本看不到由于負反饋而帶來的瞬態(tài)輸出電阻的降低，瞬態(tài)輸出電阻還是開環(huán)狀態(tài)下的輸出電阻，這是在實際應用中深度負反饋無能為力的（由于集成運算放大器自身特性的制約）。
深度負反饋需要極高的放大器開環(huán)增益，而分立元件所獲得的極高的開環(huán)增益，其寄生參數(shù)會很大，很容易產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。只有集成電路才能獲得最小的寄生參數(shù)，因此集成運算放大器才是利用深度負反饋所得到的預想效果。
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