運算放大器使用指南

運算放大器使用指南：我們知道，通用OP工作在這樣的情況下：在接入負反饋環(huán)路后，OP和反饋環(huán)路的特性僅由反饋環(huán)路來決定。為了得到這樣的特性，理想OP應(yīng)該有無限大的輸入阻抗，0輸出內(nèi)阻抗，無限大的增益，無限大的開環(huán)增益帶寬（3dB帶寬），以及其6dB/每2倍頻程的頻率滾降。不幸的是，要想實現(xiàn)這樣的電路，其成本也將是無限的。
OP技術(shù)上的發(fā)展，特別是在整合周邊電路方面的進步，使得我們能夠用有限的成本，在工程上實現(xiàn)近似于理想狀態(tài)的OP。在計入數(shù)量因素后，使用同時期的高性能集成OP的成本已經(jīng)比5年前使用分立元件的成本大大下降。正是有了OP這種高性能，低成本的產(chǎn)品，才使得一些原來為分立元件系統(tǒng)成本和技術(shù)所限制的電路得以實現(xiàn)。一個很好的例子就是低頻函數(shù)發(fā)生器，它可以由15到20片OP完成，包括波形整形，觸發(fā)和相位鎖定電路。
使用OP可以降低生產(chǎn)的成本，這使得系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計工程師們有必要熟悉OP的特性。本文將講述OP的使用方法，從簡單的緩沖器到復(fù)雜的信號發(fā)生器和波形整形電路。本文不討論OP的基本理論，請參閱附注里的參考文獻1，2，3，4。本文僅討論OP的實際應(yīng)用，OP參數(shù)的選擇對電路的影響，并給出應(yīng)用限制條件的概述。
我們按照從簡到繁，分5個階段來討論OP的運用：簡單放大器，運算電路，信號變送電路，整形電路和信號發(fā)生電路，電源電路。我們所例舉的集成OP，一般包含了內(nèi)部頻率補償電路，所以外部頻率補償電路沒有給出。當然，我們也可以選擇其他的OP以達到更高的工作頻率。OP的參數(shù)說明在附件I里?；镜姆聪喾糯笃麟娐肥居趫D1。顧名思義，在R2/R1的數(shù)值遠小于OP開環(huán)增益時，這個數(shù)值就是反相放大器的增益。輸入阻抗就是R1的阻值，閉環(huán)增益帶寬=單位增益帶寬/（1+閉環(huán)增益）
在設(shè)計中需要注意的是：R3的阻值應(yīng)該等于R1和R2的并聯(lián)電阻，以減小輸入偏置電流所帶來的失調(diào)電壓。輸出失調(diào)電壓=輸入失調(diào)電壓*閉環(huán)增益
OP輸入端的失調(diào)電壓有兩個主要的來源，輸入偏置電流（Input bias current）和輸入失調(diào)電壓（Input offset voltage）。對于一個給定的OP，輸入失調(diào)電壓就已經(jīng)確定了，但是由輸入失調(diào)電流所帶來的失調(diào)電壓與所采用的電路結(jié)構(gòu)有關(guān)系，為了在不使用調(diào)整電路的情況下減小輸入偏置電流所帶來的失調(diào)電壓，應(yīng)該使得同、反相輸入端對地的直流電阻相等，使得由于偏置電流在輸入電阻上壓降所帶來的失調(diào)電壓相互抵消。在對低內(nèi)阻信號源的放大器中，OP的輸入失調(diào)電壓將成為失調(diào)電壓誤差的主要來源，而對于高內(nèi)阻信號源的放大器，OP的輸入偏置電流在信號源內(nèi)阻上的壓降將成為上述誤差的主要來源。
在高輸入阻抗的情況下，失調(diào)電壓可以采用R3的阻值來調(diào)整，利用輸入偏置電流在其上的壓降來對輸入失調(diào)電壓作出補償（既用這個的得到的壓降來抵消輸入失調(diào)電壓）。
在交流耦合的時候，失調(diào)電壓并不顯得很重要，這時的主要問題是：失調(diào)電壓減小了輸出電壓峰—峰值（P-P）的線性動態(tài)范圍。
工作在閉環(huán)狀態(tài)下的OP和其反饋網(wǎng)絡(luò)的增益——頻率特性，必須保證不會產(chǎn)生震蕩。為了實現(xiàn)穩(wěn)定，OP和反饋環(huán)路對任何頻率的信號，在環(huán)路增益大于1時的環(huán)路相移角度絕對不能超過180°。在實踐上，為了達到穩(wěn)定條件，相移角度不應(yīng)該接近180°。顯然，最為臨界的狀態(tài)發(fā)生在反饋網(wǎng)絡(luò)的衰減為0的時候（既跟隨器狀態(tài)）。沒有做內(nèi)部補償?shù)腛P可以被用在深度反饋電路中以取得更好的頻率特性。舉一個例子：LM101在反相單位增益電路中，由于反饋網(wǎng)絡(luò)6dB的衰減，僅需要15pF的補償電容；但在同相單位增益電路中，由于反饋環(huán)路沒有衰減，就需要30pF的補償電容。由于OP的轉(zhuǎn)換速度（SR）取決于補償電容的大小， LM101的SR在反相單位增益電路里可以做到同相單位增益電路的2倍。反相電路在同等SR的條件下可以做到跟隨器電路的110%。對于一個給定的OP放大器電路，在進行補償時需要在穩(wěn)定性和帶寬之間進行進行權(quán)衡。加大補償電容可以提高穩(wěn)定性，但是犧牲了放大器的增益帶寬，反之亦然。
上面對失調(diào)電壓、輸入偏置電流的討論可以適用于絕大多數(shù)放大器，在后面的討論中也會再次涉及，更深入的介紹請參見參考文獻4。