運算放大器應(yīng)用簡介、運算放大器基礎(chǔ)知識

　　運算放大器可以說是模擬電子電路中有用的單個器件。當(dāng)你將它們應(yīng)用到電路中時，你必須了解它們的基礎(chǔ)知識和功能。

　　一、簡介

　　至于運算放大器的功能，在電子電路中，通常與反饋網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)成一定的功能模塊，具有特殊的耦合電路和反饋。它的輸出信號可以是輸入信號的加、減或微分、積分等，早期用于模擬計算機中做數(shù)學(xué)運算?，F(xiàn)在它們廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中，作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(yīng)用廣泛的器件之一。在各種系統(tǒng)中，由于應(yīng)用需求不同，對運算放大器的性能要求也不同。

　　在沒有特殊要求的情況下，盡量采用通用集成運算放大器，這樣可以降低成本，且易于更換。在系統(tǒng)中使用多個運算放大器時，應(yīng)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其整體性能。一般用品質(zhì)系數(shù)K來衡量集成運放的程度，其定義為： 式中SR為轉(zhuǎn)換速率，單位為V/ms。該值越大，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 是輸入失調(diào)電壓，單位為 mV。Iib和VOS值越小，運算放大器的直流特性越好。因此，對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，選用SR大的運放比較好；對于處理弱直流信號的電路，高精度的運算放大器更適合（失調(diào)電流、失調(diào)電壓和溫度漂移都相對較小）。

　　選擇集成運放時，除了品質(zhì)因數(shù)系數(shù)K外，還應(yīng)考慮一些因素。例如，信號源是電壓源還是電流源；負(fù)載性質(zhì)，集成運放的輸出電壓、電流是否滿足要求；集成運放的工作電壓范圍、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(chǔ)知識

　　電源

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

　　1）雙電源供電

　　運算放大器大多采用這種方式供電。相對于公共端子（地）的正電源（+ E）和負(fù)電源（-E）分別連接到運算放大器的+ VCC 和-VEE 引腳。這樣，信號源可以直接連接到運放的輸入引腳，輸出電壓的幅度可以使正負(fù)對稱。

　　2）單電源供電

　　單電源工作將運算放大器的 -VEE 引腳接地。此時，為了保證運放內(nèi)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直流電勢。

　　調(diào)零

　　由于集成運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當(dāng)輸入信號為零時，輸出往往不等于0。為了提高電路的工作精度，需要補償失調(diào)電壓和失調(diào)電流帶來的誤差。這是運算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零。對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運放，應(yīng)采用外部調(diào)零方法。

　　自振蕩

　　運算放大器是高幅度多級放大器。在深度負(fù)反饋的情況下，很容易引起自激振蕩。為了使放大器穩(wěn)定工作，必須加入一定的頻率補償網(wǎng)絡(luò)以消除自振蕩。另外，為防止電源內(nèi)阻引起低頻振蕩或高頻振蕩，應(yīng)并接電解電容（10mF）和高頻濾波電容（0.01mF～0.1mF）。

　　設(shè)備保護

　　集成運放安全的保護有三個方面：電源保護、輸入保護和輸出保護。

　　1）電源保護

　　電源常見的故障有極性反接、電壓跳變等。對于性能較差的電源來說，在開關(guān)電源的瞬間經(jīng)常會出現(xiàn)電壓過沖的情況。保護措施如采用FET電流源和電壓調(diào)節(jié)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并小于集成運放的允許工作電壓，場效應(yīng)管的電流應(yīng)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(dāng)集成運放過載或輸出短路時，如果沒有保護電路，運放將會損壞。然而，一些集成運算放大器具有內(nèi)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)

　　要想在電路中更好的使用運放，必須對其內(nèi)部參數(shù)有一定的了解。以下是與運放密切相關(guān)的技術(shù)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(dāng)于運放輸入信號的0.707倍），也就是說輸出信號降低-3dB時的頻率為單位增益帶寬。這是一個非常重要的指標(biāo)。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增益的乘積。換句話說，當(dāng)知道要處理的信號的頻率和增益時，就可以計算出單位增益帶寬（增益帶寬=放大倍數(shù)*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，它可以粗略地顯示運放處理信號頻率的能力。例如某運放的增益帶寬為1MHz，如果實際閉環(huán)增益為100，則理論處理小信號的頻率為1MHz/100=10KHz。

　　對于大信號的帶寬，即功率帶寬，壓擺率SR的影響是主要因素，單位為V/uS。此時，通過FPBW=SR/2πVp-p計算出的功率帶寬，即設(shè)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(dāng)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n倍。當(dāng)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：向運放輸入端輸入一個等幅正弦小信號，從運放輸出端開環(huán)電壓增益下降3dB至直流增益時測得的頻率。運算放大器。這用于非常小的信號處理。

　　轉(zhuǎn)換速率 SR

　　將運放連接成閉環(huán)，向運放的輸入端輸入一個大信號（包括階躍信號），從運放的輸出端測量運放的輸出上升率，稱為SR。由于運算放大器的輸入級在轉(zhuǎn)換過程中進行切換，運算放大器的反饋環(huán)路不起作用，即轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無關(guān)。轉(zhuǎn)換速率對于大信號處理來說是一個非常重要的指標(biāo)。對于一般運放，壓擺率SR《=10V/μs，高速運放的壓擺率SR》10V/μs。目前高速運放的轉(zhuǎn)換率SR達(dá)到6000V/μs。SR越大，運放對高速變化的輸入信號的響應(yīng)越好。信號幅度越大，頻率越高，SR越大。

　　全功率帶寬

　　在額定負(fù)載下，在運放閉環(huán)增益為1倍的情況下，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(dá)到（允許一定失真）信號。該頻率受到運算放大器轉(zhuǎn)換速率 SR 的限制。全功率帶寬大約由公式 SR / 2πVop 計算得出（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型的一個非常重要的指標(biāo)。

　　設(shè)定時間

　　在額定負(fù)載下，運放閉環(huán)增益為1倍的條件下，向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。由于是階躍大信號輸入，輸出信號達(dá)到給定值后會出現(xiàn)一定的抖動。該抖動時間稱為穩(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)定時間有很大差異。精度越高，穩(wěn)定時間越長。

　　等效輸入噪聲電壓

　　是指屏蔽良好、無信號輸入的運放輸出端產(chǎn)生的任意交流隨機干擾電壓。當(dāng)這個噪聲電壓轉(zhuǎn)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(yīng)于某個頻帶。

　　輸出阻抗

　　它是指當(dāng)信號電壓施加到工作在線性區(qū)的運放的輸出時，電壓的變化與相應(yīng)的電流變化的比值。在低頻下，它僅指運算放大器的輸出電阻。

　　共模輸入電阻

　　指運放兩輸入端輸入相同信號時，共模輸入電壓的變化與相應(yīng)的輸入電流的變化之比。在低頻下，它表現(xiàn)為共模電阻。一般運放的共模輸入阻抗遠(yuǎn)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，通常用分貝來表示。它是衡量輸入級差分放大器對稱程度和集成運放抑制共模干擾信號能力的參數(shù)。該值越大越好。

　　電源抑制比

　　電源電壓抑制比定義為線性區(qū)內(nèi)運放輸入失調(diào)電壓隨電源電壓的變化率。電源電壓抑制比反映了電源變化對運放輸出的影響。目前電源電壓抑制比僅為80dB左右。因此，當(dāng)用于直流信號或模擬放大的小信號處理時，需要仔細(xì)設(shè)置運放的電源。當(dāng)然，具有高共模抑制比的運放可以補償部分電源電壓抑制比。另外，使用雙電源時，正負(fù)電源的電源電壓抑制比可能不同。

　　差模輸入電阻

　　指運放工作在線性區(qū)時，兩個輸入端電壓的變化與相應(yīng)輸入端電流變化的比值。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(chǎn)品規(guī)格僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管作為輸入級的運放的輸入電阻不大于10MΩ；作為場效應(yīng)晶體管輸入級的運放的輸入電阻一般大于109Ω。

　　輸入失調(diào)電壓

　　當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓除以電壓增益，加上負(fù)號，即轉(zhuǎn)換為輸入的失調(diào)電壓。它是輸出電壓為零時施加在輸入端的補償電壓。輸入失調(diào)電壓實際上反映了運放內(nèi)部電路的對稱性。對稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運放的一個非常重要的指標(biāo)，特別是當(dāng)它是精密運放或用于直流放大時。

　　輸入失調(diào)電壓與制造工藝有一定關(guān)系。當(dāng)運算放大器使用雙極工藝（即標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）時，它在±1和10 mV之間。如果用場效應(yīng)管作為輸入級的話會更大。對于精密運放來說，一般在1mV以下。輸入失調(diào)電壓越小，直流放大時的中間零偏越小，也越容易處理。因此，它是精密運放極其重要的指標(biāo)。

　　輸入失調(diào)電壓漂移

　　在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，它是輸入失調(diào)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(diào)電壓的補充，方便計算放大器電路在給定工作范圍內(nèi)由于溫度變化而產(chǎn)生的漂移。它是衡量溫度對運放影響的重要指標(biāo)。一般情況下約為（10～30）uV/C（攝氏度），高質(zhì)量的可《0.5uV/C。

　　輸入失調(diào)電流

　　它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(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流對于運放來說是一個非常重要的指標(biāo)，特別是對于精密運放或者直流放大器來說。輸入失調(diào)電流大約是輸入偏置電流的一到十分之一。對小信號精密放大或直流放大有重要影響，特別是運放外部使用大電阻時。輸入失調(diào)電流對精度的影響可能超過輸入失調(diào)電壓對精度的影響。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時中間零偏越小，越容易處理。因此，它是精密運放極其重要的指標(biāo)。

　　輸入失調(diào)電流溫度漂移

　　在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)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(nèi)的溫度系數(shù)，也是衡量溫度對運放影響的重要指標(biāo)。通常為（1-50）nA/C左右，高質(zhì)量的為數(shù)pA/C左右。該值僅在精密運放參數(shù)中給出，用于直流信號處理或小型信號處理時需要注意。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，換句話說，就是運放工作在工作狀態(tài)時流入輸入端的平均電流。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關(guān)系。如果采用場效應(yīng)管作為輸入級，輸入偏置電流一般低于1nA。它通常用于測量差分放大器對的輸入電流。

　　差模輸入電壓

　　它是運放兩個輸入端能夠承受的電壓。超過時，會發(fā)生差動管反向擊穿。平面工藝制作的NPN管其Vidmax約為5V，水平PNP管的Vidmax可達(dá)30V以上。

　　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(dāng)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)定的負(fù)載下，當(dāng)運放采用大電源供電時，是運放能夠輸出的電壓幅度。除低壓運放外，一般運放的輸出峰峰值電壓均大于±10V，但小于電源電壓。這是由于輸出級的設(shè)計造成的。現(xiàn)代低壓運算放大器的輸出級經(jīng)過特殊處理。輸出峰峰值電壓接近電源電壓50mV以內(nèi)，因此稱為滿量程輸出運放，又稱軌對運放。需要注意的是，運放的輸出峰峰值電壓與負(fù)載有關(guān)，不同負(fù)載其值不同；運算放大器的正負(fù)輸出電壓擺幅不一定相同。

　　圖 3. 運算放大器的輸入失調(diào)電壓

　　三、申請事項

　　1）單電源運放必須加直流偏置，否則無法正常工作。對于虛地設(shè)計，除了直流電位外，還需要注意穩(wěn)壓（使用參考電壓芯片），還要保證低阻抗交流去耦，即低頻并行去耦至少 10uF，高頻去耦 0.1uF 以下。

　　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(qū)動容性負(fù)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(fù)載。

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

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

　　6）功放的輸出需要通過開關(guān)二極管保護到電源和地，特別是連接感性負(fù)載時。

　　7）當(dāng)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?dāng)_。因此，建議不要使用一個運放來處理多個信號。

　　8）大多數(shù)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（多個運放中多余的通道）的引腳不應(yīng)懸空、接地或連接正負(fù)電源。建議將其連接為跟隨器（輸出連接到反向輸入），同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） 。它們還可以用作緩沖放大器，并將其添加到系統(tǒng)中的小影響位置。