运算放大器应用简介、运算放大器基础知识
一、简介
至于运算放大器的功能，在电子电路中，通常与反馈网络相结合，构成一定的功能模块，具有特殊的耦合电路和反馈。它的输出信号可以是输入信号的加、减或微分、积分等，早期用于模拟计算机中做数学运算。现在它们广泛应用于电子工业中，作为精密交直流放大器、有源滤波器、振荡器和电压比较器。
1.1 集成运放
1.1.1 评价分析
集成运算放大器是模拟集成电路中应用广泛的器件之一。在各种系统中，由于应用需求不同，对运算放大器的性能要求也不同。
在没有特殊要求的情况下，尽量采用通用集成运算放大器，这样可以降低成本，且易于更换。在系统中使用多个运算放大器时，应使用尽可能多的运算放大器集成电路。例如，LM324 和 LF347 总是将四个运算放大器集成在一个电路中。
集成运算放大器的评估取决于其整体性能。一般用品质系数K来衡量集成运放的程度，其定义为：式中SR为转换速率，单位为V/ms。该值越大，运算放大器的交流特性越好；放大器的输入偏置电流为lib，单位为nA；VOS 是输入失调电压，单位为 mV。Iib和VOS值越小，运算放大器的直流特性越好。因此，对于放大音频、视频等交流信号的电路，选用SR大的运放比较好；对于处理弱直流信号的电路，高精度的运算放大器更适合（失调电流、失调电压和温度漂移都相对较小）。
选择集成运放时，除了品质因数系数K外，还应考虑一些因素。例如，信号源是电压源还是电流源；负载性质，集成运放的输出电压、电流是否满足要求；集成运放的工作电压范围、功耗和体积。
图 1：使用运算放大器作为比较器
1.1.2 集成运算放大器基础知识
电源
集成运放有+VCC和-VEE两个电源端，供电方式不同。不同的供电方式，对输入信号的要求不同。
1）双电源供电
运算放大器大多采用这种方式供电。相对于公共端子（地）的正电源（+ E）和负电源（-E）分别连接到运算放大器的+ VCC 和-VEE 引脚。这样，信号源可以直接连接到运放的输入引脚，输出电压的幅度可以使正负对称。
2）单电源供电
单电源工作将运算放大器的 -VEE 引脚接地。此时，为了保证运放内部单元电路有合适的静态工作点，必须在运放的输入端加直流电势。
调零
由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当输入信号为零时，输出往往不等于0。为了提高电路的工作精度，需要补偿失调电压和失调电流带来的误差。这是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零。对于没有内部调零端子的集成运放，应采用外部调零方法。
自振荡
运算放大器是高幅度多级放大器。在深度负反馈的情况下，很容易引起自激振荡。为了使放大器稳定工作，必须加入一定的频率补偿网络以消除自振荡。另外，为防止电源内阻引起低频振荡或高频振荡，应并接电解电容（10mF）和高频滤波电容（0.01mF～0.1mF）。
设备保护
集成运放安全的保护有三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。
1）电源保护
电源常见的故障有极性反接、电压跳变等。对于性能较差的电源来说，在开关电源的瞬间经常会出现电压过冲的情况。保护措施如采用FET电流源和电压调节器钳位保护。稳压器的电压值大于集成运放的正常工作电压并小于集成运放的允许工作电压，场效应管的电流应大于集成运放的正常工作电流。
2）输入保护
如果集成运放的输入差模/共模电压过高，超出集成运放的极限参数范围，就会损坏。
3）输出保护
当集成运放过载或输出短路时，如果没有保护电路，运放将会损坏。然而，一些集成运算放大器具有内部限流保护或短路保护，使用这些器件不需要额外的输出保护。
图 2. 反相运算放大器电路
2. 运放参数
要想在电路中更好的使用运放，必须对其内部参数有一定的了解。以下是与运放密切相关的技术参数：
单位增益带宽
定义：在运放闭环增益为1倍的条件下，向运放输入端输入一个等幅正弦小信号，从运放输出端测得的闭环电压增益运放降低3dB（或相当于运放输入信号的0.707倍），也就是说输出信号降低-3dB时的频率为单位增益带宽。这是一个非常重要的指标。对于正弦小信号放大，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下增益的乘积。换句话说，当知道要处理的信号的频率和增益时，就可以计算出单位增益带宽（增益带宽=放大倍数*信号频率）来选择合适的运放。
对于小信号，单位增益带宽也称为增益带宽积，它可以粗略地显示运放处理信号频率的能力。例如某运放的增益带宽为1MHz，如果实际闭环增益为100，则理论处理小信号的频率为1MHz/100=10KHz。
对于大信号的带宽，即功率带宽，压摆率SR的影响是主要因素，单位为V/uS。此时，通过FPBW=SR/2πVp-p计算出的功率带宽，即设计电路时必须同时满足增益带宽和功率带宽。
对于直流信号，一般不考虑带宽问题，主要考虑精度和干扰。
当放大器的放大倍数为n倍时，并不意味着所有输入信号都被放大n倍。当信号频率增加时，放大能力下降。
开放带宽
开环带宽定义为：向运放输入端输入一个等幅正弦小信号，从运放输出端开环电压增益下降3dB至直流增益时测得的频率。运算放大器。这用于非常小的信号处理。
转换速率 SR
将运放连接成闭环，向运放的输入端输入一个大信号（包括阶跃信号），从运放的输出端测量运放的输出上升率，称为SR。由于运算放大器的输入级在转换过程中进行切换，运算放大器的反馈环路不起作用，即转换速率与闭环增益无关。转换速率对于大信号处理来说是一个非常重要的指标。对于一般运放，压摆率SR<=10V/μs，高速运放的压摆率SR>10V/μs。目前高速运放的转换率SR达到6000V/μs。SR越大，运放对高速变化的输入信号的响应越好。信号幅度越大，频率越高，SR越大。
全功率带宽
在额定负载下，在运放闭环增益为1倍的情况下，向运放的输入端输入一个等幅正弦大信号，使运放的输出频率达到（允许一定失真）信号。该频率受到运算放大器转换速率 SR 的限制。全功率带宽大约由公式 SR / 2πVop 计算得出（Vop 是运算放大器的峰值输出幅度）。它是大信号处理中运放选型的一个非常重要的指标。
设定时间
在额定负载下，运放闭环增益为1倍的条件下，向运放输入端输入一个阶跃大信号，使输出从0增加到给定值所需的时间。由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定的抖动。该抖动时间称为稳定时间。此时，稳定时间+上升时间=稳定时间。对于不同的输出精度，稳定时间有很大差异。精度越高，稳定时间越长。
等效输入噪声电压
是指屏蔽良好、无信号输入的运放输出端产生的任意交流随机干扰电压。当这个噪声电压转换到运放的输入时，称为运放的输入噪声电压（有时用噪声电流表示）。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约为10～20μV。该值通常对应于某个频带。
输出阻抗
它是指当信号电压施加到工作在线性区的运放的输出时，电压的变化与相应的电流变化的比值。在低频下，它仅指运算放大器的输出电阻。
共模输入电阻
指运放两输入端输入相同信号时，共模输入电压的变化与相应的输入电流的变化之比。在低频下，它表现为共模电阻。一般运放的共模输入阻抗远高于差模输入阻抗，典型值在108Ω以上。
共模抑制比
与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益与共模电压增益的比值，通常用分贝来表示。它是衡量输入级差分放大器对称程度和集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。该值越大越好。
电源抑制比
电源电压抑制比定义为线性区内运放输入失调电压随电源电压的变化率。电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。目前电源电压抑制比仅为80dB左右。因此，当用于直流信号或模拟放大的小信号处理时，需要仔细设置运放的电源。当然，具有高共模抑制比的运放可以补偿部分电源电压抑制比。另外，使用双电源时，正负电源的电源电压抑制比可能不同。
差模输入电阻
指运放工作在线性区时，两个输入端电压的变化与相应输入端电流变化的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，仅指低频时的输入电阻。一般产品规格仅给出输入电阻。采用双极型晶体管作为输入级的运放的输入电阻不大于10MΩ；作为场效应晶体管输入级的运放的输入电阻一般大于109Ω。
输入失调电压
当输入电压为零时，输出电压除以电压增益，加上负号，即转换为输入的失调电压。它是输出电压为零时施加在输入端的补偿电压。输入失调电压实际上反映了运放内部电路的对称性。对称性越好，输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个非常重要的指标，特别是当它是精密运放或用于直流放大时。
输入失调电压与制造工艺有一定关系。当运算放大器使用双极工艺（即标准硅工艺）时，它在±1和10 mV之间。如果用场效应管作为输入级的话会更大。对于精密运放来说，一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大时的中间零偏越小，也越容易处理。因此，它是精密运放极其重要的指标。
输入失调电压漂移
在规定的工作温度范围内，它是输入失调电压随温度的变化与温度变化的比值。它实际上是对输入失调电压的补充，方便计算放大器电路在给定工作范围内由于温度变化而产生的漂移。它是衡量温度对运放影响的重要指标。一般情况下约为（10～30）uV/C（摄氏度），高质量的可<0.5uV/C。
输入失调电流
它定义为运放输出直流电压为零时差分输入级差分对的基极电流之差。用于表征差分输入电流的不对称程度。对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对于运放来说是一个非常重要的指标，特别是对于精密运放或者直流放大器来说。输入失调电流大约是输入偏置电流的一到十分之一。对小信号精密放大或直流放大有重要影响，特别是运放外部使用大电阻时。输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时中间零偏越小，越容易处理。因此，它是精密运放极其重要的指标。
输入失调电流温度漂移
在规定的工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量的比值。它是指在规定工作范围内的温度系数，也是衡量温度对运放影响的重要指标。通常为（1-50）nA/C左右，高质量的为数pA/C左右。该值仅在精密运放参数中给出，用于直流信号处理或小型信号处理时需要注意。信号处理。
输入偏置电流
定义为运放输出直流电压为零时两个输入端偏置电流的平均值，换句话说，就是运放工作在工作状态时流入输入端的平均电流。线性区域。输入偏置电流对需要输入阻抗的地方影响较大，如高阻抗信号放大、积分电路等。输入偏置电流与制造工艺有一定关系。如果采用场效应管作为输入级，输入偏置电流一般低于1nA。它通常用于测量差分放大器对的输入电流。
差模输入电压
它是运放两个输入端能够承受的电压。超过时，会发生差动管反向击穿。平面工艺制作的NPN管其Vidmax约为5V，水平PNP管的Vidmax可达30V以上。
共模输入电压
它是运算放大器正常工作条件下允许的共模输入电压范围。当输入差分对饱和时，放大器失去共模抑制能力。在有干扰的情况下，在电路的使用中需要注意这个问题。
输出峰峰值电压
工作在线性区，在规定的负载下，当运放采用大电源供电时，是运放能够输出的电压幅度。除低压运放外，一般运放的输出峰峰值电压均大于±10V，但小于电源电压。这是由于输出级的设计造成的。现代低压运算放大器的输出级经过特殊处理。输出峰峰值电压接近电源电压50mV以内，因此称为满量程输出运放，又称轨对运放。需要注意的是，运放的输出峰峰值电压与负载有关，不同负载其值不同；运算放大器的正负输出电压摆幅不一定相同。
图 3. 运算放大器的输入失调电压
三、申请事项
1）单电源运放必须加直流偏置，否则无法正常工作。对于虚地设计，除了直流电位外，还需要注意稳压（使用参考电压芯片），还要保证低阻抗交流去耦，即低频并行去耦至少 10uF，高频去耦 0.1uF 以下。
2) 同相放大器的输入必须作为直流路径偏置到地。
3）普通运放不能直接驱动容性负载。如果需要，必须使用电容进行相位补偿或输出串联电阻，然后连接负载。
4）对于外部接口的运放输入，必须在正负输入引脚并联一只TVS管，防止运放因输入电压信号过大而极性反转，形成寄生假信号输出。
5）对于增益大于10倍的放大器电路，要注意控制运放的带宽增益，防止器件自振荡。
6）功放的输出需要通过开关二极管保护到电源和地，特别是连接感性负载时。
7）当使用多个运放处理多个信号时，必须注意防止其中一个信号的瞬时变化对另一个信号造成串扰。因此，建议不要使用一个运放来处理多个信号。
8）大多数运放芯片都是ESD敏感器件，使用时要多加注意。
9）未使用的运放（多个运放中多余的通道）的引脚不应悬空、接地或连接正负电源。建议将其连接为跟随器（输出连接到反向输入），同相输入连接到电源轨之间的电位（双电源系统的接地或电路中任何合适的点） 。它们还可以用作缓冲放大器，并将其添加到系统中的小影响位置。
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