運算放大器的基礎知識和應用介紹

運算放大器可以說是模擬電子電路中最有用的單一器件。當你在電路中應用它們時，你必須知道它們的基礎和功能。

一、簡介

至于運算放大器的功能，在電子電路中，它通常與反饋網(wǎng)絡相結合，形成一定的功能模塊，具有特殊的耦合電路和反饋。其輸出信號可以是輸入信號的加法、減法或微分、積分等，早期用于模擬計算機進行數(shù)學運算?，F(xiàn)在它們廣泛應用于電子行業(yè)，被視為精密交直流放大器、有源濾波器、振蕩器和電壓比較器。

1.1 集成運放

1.1.1 評價分析

集成運算放大器是模擬集成電路中應用最廣泛的器件之一。在各種系統(tǒng)中，由于應用要求不同，對運算放大器的性能要求也不同。

在沒有特殊要求的地方，盡量使用通用的集成運放，這樣可以降低成本，更換方便。在一個系統(tǒng)中使用多個運算放大器時，應使用盡可能多的運算放大器集成電路。例如，LM324 和 LF347 總是將四個運算放大器集成在一個電路中。

集成運算放大器的評估取決于它們的整體性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來衡量集成運算放大器的優(yōu)良程度，定義為： 式中SR為壓擺率，單位為V/ms。數(shù)值越大，運算放大器的交流特性越好；放大器的輸入偏置電流為lib，單位為nA；VOS 是以 mV 為單位的輸入失調電壓。Iib 和 VOS 值越小，運放的直流特性越好。因此，對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，SR大的運放比較好；對于處理弱直流信號的電路，精度較高的運算放大器更適合（失調電流、失調電壓和溫度漂移都比較小）。

選擇集成運放時，除了優(yōu)值系數(shù)K外，還應考慮一些因素。例如，信號源是電壓源還是電流源；負載的性質，集成運放的輸出電壓和電流是否滿足要求；集成運算放大器的工作電壓范圍、功耗和體積。

圖 1：使用運算放大器作為比較器

1.1.2 集成運算放大器基礎知識

電源

集成運放有兩個電源端+VCC和-VEE，供電方式不同。對于不同的供電方式，對輸入信號的要求是不同的。

1） 雙電源

運算放大器大多以這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源 （+ E） 和負電源 （-E） 分別連接到運算放大器的 + VCC 和 -VEE 引腳。這樣，信號源就可以直接連接到運放的輸入管腳，輸出電壓的幅值可以使正負對稱。

2） 單電源

單電源操作將運算放大器的 -VEE 引腳接地。這時，為了保證運放內部單元電路有合適的靜態(tài)工作點，必須在運放的輸入端加一個直流電位。

調零

由于集成運放的輸入失調電壓和輸入失調電流的影響，當輸入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的工作精度，需要補償由失調電壓和失調電流引起的誤差。這是運算放大器的零設置。常用的歸零方法包括內部歸零和外部歸零。對于沒有內部調零端子的集成運算放大器，應使用外部調零方法。

自振蕩

運算放大器是一個高振幅的多級放大器。在深度負反饋的情況下，容易引起自激振蕩。為了使放大器穩(wěn)定工作，必須增加一定的頻率補償網(wǎng)絡來消除自振蕩。此外，為防止電源內阻引起低頻振蕩或高頻振蕩，應連接電解電容（10mF）和高頻濾波電容（0.01mF～0.1mF）。

設備保護

集成運放的安全保護分為三個方面：電源保護、輸入保護和輸出保護。

1） 電源保護

電源的常見故障有極性反接和電壓跳變。對于性能較差的電源，在開關電源的瞬間往往會出現(xiàn)電壓過沖。保護措施如使用場效應管電流源和穩(wěn)壓器鉗位保護。穩(wěn)壓器的電壓值大于集成運放的正常工作電壓且小于集成運放的最大允許工作電壓，F(xiàn)ET管的電流應大于集成運放的正常工作電流。

2） 輸入保護

如果集成運放的輸入差模/共模電壓過高超出集成運放的極限參數(shù)范圍，就會損壞。

3） 輸出保護

當集成運放過載或輸出短路時，如果沒有保護電路，運放就會損壞。但是，一些集成運算放大器具有內部限流保護或短路保護，使用這些器件不需要額外的輸出保護。

圖 2. 反相運算放大器電路

2.運放參數(shù)

要在電路中更好地使用運放，就必須對其內部參數(shù)有一定的了解。以下是與運放密切相關的技術參數(shù)：

單位增益帶寬

定義：在運放閉環(huán)增益為1倍的條件下，向運放輸入端輸入一個等幅正弦小信號，從運放輸出端測得的閉環(huán)電壓增益運放降低3dB（或相當于運放輸入信號的0.707倍），即輸出信號降低-3dB的頻率為單位增益帶寬。這是一個非常重要的指標。對于正弦小信號放大，單位增益帶寬等于輸入信號頻率與該頻率下最大增益的乘積。也就是說，當你知道要處理的信號的頻率和增益后，就可以計算出單位增益帶寬（增益帶寬=放大*信號頻率）來選擇合適的運放。

對于小信號，單位增益帶寬也稱為增益帶寬積，可以粗略地表示運放對信號頻率的處理能力。例如某運放的增益帶寬為1MHz，如果實際閉環(huán)增益為100，那么理論上處理小信號的最大頻率為1MHz/100=10KHz。

對于大信號的帶寬，即功率帶寬，擺率SR的影響是主要因素，單位為V/uS。在這種情況下，由FPBW = SR / 2πVp-p計算得到的功率帶寬，即在設計電路時必須同時滿足增益帶寬和功率帶寬。

對于直流信號，一般不考慮帶寬問題，主要考慮精度和干擾。

當放大器的放大倍數(shù)為n倍時，并不意味著所有輸入信號都被放大了n倍。當信號頻率增加時，放大能力下降。

開放帶寬

開環(huán)帶寬定義為：在運放的輸入端輸入一個恒定幅度的正弦小信號，開環(huán)電壓增益從運放輸出降低3dB至直流增益為運算放大器。這用于非常小的信號處理。

轉換速率 SR

在運算放大器連接成閉環(huán)的情況下，一個大信號（包括階躍信號）輸入到運算放大器的輸入端，從稱為 SR 的運算放大器的輸出端測量運算放大器的輸出上升率。因為運算放大器的輸入級在轉換過程中是切換的，所以運算放大器的反饋回路不起作用，即轉換速率與閉環(huán)增益無關。壓擺率是大信號處理的一個非常重要的指標。一般運放的壓擺率SR《=10V/μs，高速運放的壓擺率SR》10V/μs。目前高速運放的最高轉換率SR達到6000V/μs。SR越大，運算放大器對高速變化的輸入信號的響應越好。信號幅度越大，頻率越高，SR越大。

全功率帶寬

在額定負載下，在運放閉環(huán)增益為1倍的條件下，向運放的輸入端輸入一個等幅正弦大信號，使運放的輸出頻率達到最大（允許一定的失真）信號。該頻率受運算放大器壓擺率 SR 的限制。大約，全功率帶寬由公式 SR / 2πVop 計算（Vop 是運算放大器的峰值輸出幅度）。它是大信號處理中運放選擇的一個非常重要的指標。

設定時間

在額定負載下，在運放閉環(huán)增益為1倍的條件下，運放輸入端輸入一個階躍大信號使輸出從0增加到給定值所需的時間。因為是階躍大信號輸入，輸出信號達到給定值后會出現(xiàn)一定的抖動。這個抖動時間稱為穩(wěn)定時間。此時，穩(wěn)定時間+上升時間=穩(wěn)定時間。對于不同的輸出精度，穩(wěn)定時間有很大的不同。精度越高，穩(wěn)定時間越長。

等效輸入噪聲電壓

它是指在具有良好屏蔽和無信號輸入的運放輸出端產生的任何交流隨機干擾電壓。當這個噪聲電壓轉換到運放的輸入時，稱為運放的輸入噪聲電壓（有時用噪聲電流表示）。對于寬帶噪聲，普通運放的輸入噪聲電壓有效值約為10～20μV。該值通常對應于某個頻帶。

輸出阻抗

它是指信號電壓加到工作在線性區(qū)的運放輸出時，電壓變化與相應電流變化的比值。在低頻時，它僅指運算放大器的輸出電阻。

共模輸入電阻

指運放的兩個輸入端輸入相同信號時，共模輸入電壓的變化與輸入電流相應變化的比值。在低頻時，它表現(xiàn)為共模電阻。一般運放的共模輸入阻抗遠高于差模輸入阻抗，典型值在108Ω以上。

共模抑制比

與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益與共模電壓增益的比值，通常以分貝表示。它是衡量輸入級差分放大器的對稱程度和集成運放抑制共模干擾信號能力的參數(shù)。值越大越好。

電源抑制比

電源電壓抑制比定義為運算放大器的輸入偏移電壓與線性區(qū)域內電源電壓的變化率。電源電壓抑制比反映了電源變化對運算放大器輸出的影響。目前，電源電壓抑制比僅為80dB左右。因此，當用于直流信號或模擬放大的小信號處理時，需要仔細設置運算放大器的電源。當然，具有高共模抑制比的運算放大器可以補償部分電源電壓抑制比。此外，當使用雙電源時，正極和負極電源的電源電壓抑制比可能不同。

差模輸入電阻

是指當運算放大器在線性區(qū)域中工作時，兩個輸入端子處的電壓變化與輸入端子處的相應電流變化的比率。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，僅指低頻時的輸入電阻。一般產品規(guī)格僅給出輸入電阻。使用雙極晶體管作為輸入級的運算放大器的輸入電阻不大于10MΩ；作為場效應晶體管輸入級的運放的輸入電阻通常大于109Ω。

輸入偏移電壓

當輸入電壓為零時，輸出電壓除以電壓增益加上負號，負號是轉換為輸入的偏移電壓。當輸出電壓為零時，它是施加在輸入端的補償電壓。輸入偏移電壓實際上反映了運算放大器內部的電路對稱性。對稱性越好，輸入偏移電壓越小。輸入偏置電壓是運算放大器的一個非常重要的指標，尤其是當它是精密運算放大器或用于直流放大時。

輸入失調電壓與制造工藝有一定的關系。當運算放大器使用雙極工藝（即標準硅工藝）時，它在 ± 1 和 10 mV 之間。如果使用場效應管作為輸入級，會更大。對于精密運算放大器，一般在1mV以下。輸入失調電壓越小，直流放大時的中間零偏越小，越容易處理。因此，對于精密運放來說，它是一個極其重要的指標。

輸入失調電壓漂移

在規(guī)定的工作溫度范圍內，它是輸入失調電壓隨溫度的變化與溫度變化的比值。它實際上是對輸入失調電壓的一種補充，便于計算放大器電路在給定工作范圍內因溫度變化而產生的漂移。它是衡量運放溫度影響的重要指標。一般情況下約為（10~30）uV/C（攝氏度），高質量可《0.5uV/C。

輸入失調電流

定義為運放輸出直流電壓為零時差分輸入級差分對的基極電流之差。用于表征差分輸入電流的不對稱程度。對稱性越好，輸入失調電流越小。輸入失調電流對于運算放大器來說是一個非常重要的指標，特別是對于精密運算放大器或直流放大器。輸入失調電流約為輸入偏置電流的十分之一到十分之一。它對小信號精度放大或直流放大有重要影響，尤其是在運放外使用大電阻時。輸入失調電流的影響可能超過輸入失調電壓對精度的影響。輸入失調電流越小，直流放大時的中間零偏越小，越容易處理。因此，對于精密運放來說，它是一個極其重要的指標。

輸入失調電流溫漂

在規(guī)定的工作溫度范圍內，輸入失調電流隨溫度的變化量與溫度變化量的比值。它是指在規(guī)定工作范圍內的溫度系數(shù)，也是衡量溫度對運放影響的重要指標。通常在（1-50）nA/C左右，高質量的在幾pA/C左右。這個值只在精密運放參數(shù)中給出，用于直流信號處理或較小時需要注意信號處理。

輸入偏置電流

定義為運放輸出直流電壓為零時兩個輸入端偏置電流的平均值，即運放工作在輸入端的平均電流。線性區(qū)域。輸入偏置電流對需要輸入阻抗的地方影響較大，如高阻抗信號放大、積分電路等。輸入偏置電流與制造工藝有一定的關系。如果使用場效應管作為輸入級，輸入偏置電流一般低于1nA。它總是用來測量差分放大器對的輸入電流。

最大差模輸入電壓

是運放的兩個輸入端能承受的電壓。超過時，差動管會發(fā)生反向擊穿。平面工藝制成的NPN管值在5V左右，水平PNP管的Vidmax可以達到30V以上。

最大共模輸入電壓

它是運算放大器正常工作條件下允許的共模輸入電壓范圍。當輸入差分對飽和時，放大器失去共模抑制能力。在有干擾的情況下，在電路的使用中需要注意這個問題。

輸出峰峰值電壓

工作在線性區(qū)，在規(guī)定負載下，運放在大電源供電時，是運放所能輸出的最大電壓幅值。除低壓運放外，一般運放的輸出峰峰值電壓大于±10V，但小于電源電壓。這是由于輸出級的設計?，F(xiàn)代低壓運算放大器的輸出級都經(jīng)過特殊處理。輸出峰峰值電壓接近電源電壓的50mV以內，因此稱為滿量程輸出運放，也稱為軌到軌運放。需要注意的是，運放的輸出峰峰值電壓與負載有關，不同負載取值不同；運放的正負輸出電壓擺幅不一定相同。

圖 3. 運算放大器的輸入失調電壓

三、申請事項

1）單電源運放必須直流偏置，否則無法正常工作。對于虛地設計，除了直流電位外，還要注意穩(wěn)壓（最好使用參考電壓芯片），還要保證低阻抗交流去耦，即低頻去耦并聯(lián)至少 10uF 和 0.1uF 以下的高頻去耦。

2） 同相放大器的輸入必須作為直流路徑偏置到地。

3）普通運放不能直接驅動容性負載。如果需要，必須使用電容進行相位補償或輸出串聯(lián)電阻，然后連接負載。

4）對于外部接口的運放輸入，必須在正負輸入引腳上并聯(lián)一只TVS管，防止運放因輸入電壓信號過大而反極性，形成寄生假信號輸出。

5）對于增益大于10倍的放大電路，要注意控制運放的帶寬增益，防止器件自激振蕩。

6）功率放大器的輸出需要通過開關二極管對電源和地進行保護，特別是在連接感性負載時。

7）當使用多個運放處理多個信號時，必須注意防止其中一個信號的瞬時變化對另一個信號造成串擾。因此，建議不要使用一個運放來處理多個信號。

8） 大部分運放芯片都是ESD敏感器件，使用時要多加注意。

9）未使用的運放（多個運放中的多余通道）的引腳不應懸空，并接地或連接正負電源。建議將其連接為跟隨器（輸出連接到反向輸入），非反相輸入連接到電源軌之間的電位（雙電源系統(tǒng)的接地或電路中任何合適的點） 。 它們也可以用作緩沖放大器，并將它們添加到系統(tǒng)中的一個小影響位置。

圖 4. 運算放大器 741

審核編輯：郭婷