運算放大器應用簡介、運算放大器基礎知識

一、簡介

至於運算放大器的功能，在電子電路中，通常與反饋網絡相結合，構成一定的功能模塊，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，早期用於模擬計算機中做數學運算。現在它們廣泛應用於電子工業中，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用廣泛的器件之一。在各種係統中，由於應用需求不同，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，且易於更換。在係統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於其整體性能。一般用品質係數K來衡量集成運放的程度，其定義為：式中SR為轉換速率，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，對於放大音頻、視頻等交流信號的電路，選用SR大的運放比較好；對於處理弱直流信號的電路，高精度的運算放大器更適合（失調電流、失調電壓和溫度漂移都相對較小）。

選擇集成運放時，除了品質因數係數K外，還應考慮一些因素。例如，信號源是電壓源還是電流源；負載性質，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範圍、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+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。相對於公共端子（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，為了保證運放內部單元電路有合適的靜態工作點，必須在運放的輸入端加直流電勢。

調零

由於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，輸出往往不等於0。為了提高電路的工作精度，需要補償失調電壓和失調電流帶來的誤差。這是運算放大器的調零。常用的調零方法有內部調零和外部調零。對於沒有內部調零端子的集成運放，應采用外部調零方法。

自振蕩

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

設備保護

集成運放安全的保護有三個方麵：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。對於性能較差的電源來說，在開關電源的瞬間經常會出現電壓過衝的情況。保護措施如采用FET電流源和電壓調節器鉗位保護。穩壓器的電壓值大於集成運放的正常工作電壓並小於集成運放的允許工作電壓，場效應管的電流應大於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範圍，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，運放將會損壞。然而，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

要想在電路中更好的使用運放，必須對其內部參數有一定的了解。以下是與運放密切相關的技術參數：

單位增益帶寬

定義：在運放閉環增益為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電壓增益運放降低3dB（或相當於運放輸入信號的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。對於正弦小信號放大，單位增益帶寬等於輸入信號頻率與該頻率下增益的乘積。換句話說，當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*信號頻率）來選擇合適的運放。

對於小信號，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，如果實際閉環增益為100，則理論處理小信號的頻率為1MHz/100=10KHz。

對於大信號的帶寬，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，即設計電路時必須同時滿足增益帶寬和功率帶寬。

對於直流信號，一般不考慮帶寬問題，主要考慮精度和幹擾。

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

開放帶寬

開環帶寬定義為：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。這用於非常小的信號處理。

轉換速率 SR

將運放連接成閉環，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。由於運算放大器的輸入級在轉換過程中進行切換，運算放大器的反饋環路不起作用，即轉換速率與閉環增益無關。轉換速率對於大信號處理來說是一個非常重要的指標。對於一般運放，壓擺率SR<=10V/μs，高速運放的壓擺率SR>10V/μs。目前高速運放的轉換率SR達到6000V/μs。SR越大，運放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到（允許一定失真）信號。該頻率受到運算放大器轉換速率 SR 的限製。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。

設定時間

在額定負載下，運放閉環增益為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。由於是階躍大信號輸入，輸出信號達到給定值後會出現一定的抖動。該抖動時間稱為穩定時間。此時，穩定時間+上升時間=穩定時間。對於不同的輸出精度，穩定時間有很大差異。精度越高，穩定時間越長。

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生的任意交流隨機幹擾電壓。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）。對於寬帶噪聲，普通運放的輸入噪聲電壓有效值約為10～20μV。該值通常對應於某個頻帶。

輸出阻抗

它是指當信號電壓施加到工作在線性區的運放的輸出時，電壓的變化與相應的電流變化的比值。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的輸入電流的變化之比。在低頻下，它表現為共模電阻。一般運放的共模輸入阻抗遠高於差模輸入阻抗，典型值在108Ω以上。

共模抑製比

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製共模幹擾信號能力的參數。該值越大越好。

電源抑製比

電源電壓抑製比定義為線性區內運放輸入失調電壓隨電源電壓的變化率。電源電壓抑製比反映了電源變化對運放輸出的影響。目前電源電壓抑製比僅為80dB左右。因此，當用於直流信號或模擬放大的小信號處理時，需要仔細設置運放的電源。當然，具有高共模抑製比的運放可以補償部分電源電壓抑製比。另外，使用雙電源時，正負電源的電源電壓抑製比可能不同。

差模輸入電阻

指運放工作在線性區時，兩個輸入端電壓的變化與相應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。一般產品規格僅給出輸入電阻。采用雙極型晶體管作為輸入級的運放的輸入電阻不大於10MΩ；作為場效應晶體管輸入級的運放的輸入電阻一般大於109Ω。

輸入失調電壓

當輸入電壓為零時，輸出電壓除以電壓增益，加上負號，即轉換為輸入的失調電壓。它是輸出電壓為零時施加在輸入端的補償電壓。輸入失調電壓實際上反映了運放內部電路的對稱性。對稱性越好，輸入失調電壓越小。輸入失調電壓是運放的一個非常重要的指標，特別是當它是精密運放或用於直流放大時。

輸入失調電壓與製造工藝有一定關係。當運算放大器使用雙極工藝（即標準矽工藝）時，它在±1和10 mV之間。如果用場效應管作為輸入級的話會更大。對於精密運放來說，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，也越容易處理。因此，它是精密運放極其重要的指標。

輸入失調電壓漂移

在規定的工作溫度範圍內，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補充，方便計算放大器電路在給定工作範圍內由於溫度變化而產生的漂移。它是衡量溫度對運放影響的重要指標。一般情況下約為（10～30）uV/C（攝氏度），高質量的可<0.5uV/C。

輸入失調電流

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。用於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。輸入失調電流對於運放來說是一個非常重要的指標，特別是對於精密運放或者直流放大器來說。輸入失調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。輸入失調電流對精度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。

輸入失調電流溫度漂移

在規定的工作溫度範圍內，輸入失調電流隨溫度的變化量與溫度變化量的比值。它是指在規定工作範圍內的溫度係數，也是衡量溫度對運放影響的重要指標。通常為（1-50）nA/C左右，高質量的為數pA/C左右。該值僅在精密運放參數中給出，用於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時流入輸入端的平均電流。線性區域。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。輸入偏置電流與製造工藝有一定關係。如果采用場效應管作為輸入級，輸入偏置電流一般低於1nA。它通常用於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，會發生差動管反向擊穿。平麵工藝製作的NPN管其Vidmax約為5V，水平PNP管的Vidmax可達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範圍。當輸入差分對飽和時，放大器失去共模抑製能力。在有幹擾的情況下，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，在規定的負載下，當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於±10V，但小於電源電壓。這是由於輸出級的設計造成的。現代低壓運算放大器的輸出級經過特殊處理。輸出峰峰值電壓接近電源電壓50mV以內，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載有關，不同負載其值不同；運算放大器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）單電源運放必須加直流偏置，否則無法正常工作。對於虛地設計，除了直流電位外，還需要注意穩壓（使用參考電壓芯片），還要保證低阻抗交流去耦，即低頻並行去耦至少 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電阻，然後連接負載。

4）對於外部接口的運放輸入，必須在正負輸入引腳並聯一隻TVS管，防止運放因輸入電壓信號過大而極性反轉，形成寄生假信號輸出。

5）對於增益大於10倍的放大器電路，要注意控製運放的帶寬增益，防止器件自振蕩。

6）功放的輸出需要通過開關二極管保護到電源和地，特別是連接感性負載時。

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）大多數運放芯片都是ESD敏感器件，使用時要多加注意。

9）未使用的運放（多個運放中多餘的通道）的引腳不應懸空、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），同相輸入連接到電源軌之間的電位（雙電源係統的接地或電路中任何合適的點） 。它們還可以用作緩衝放大器，並將其添加到係統中的小影響位置。

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