在設(shè)計應(yīng)用時如何選擇合適運算放大器？

我通過電子郵件以及在TI E2E論壇上看到的最常見的問題之一是：“對于這個應(yīng)用，我應(yīng)該選擇哪種運放?”這個問題的難度很大：有數(shù)以千計的運算放大器可供選擇，并且同時有無數(shù)的規(guī)格和功能需要考慮。

這種復(fù)雜性要求創(chuàng)建在線搜索和設(shè)計工具，而在線搜索和設(shè)計工具本身可能會很復(fù)雜(實際上有數(shù)十個過濾選項、復(fù)選框和滑塊)。反過來，這導(dǎo)致了快速搜索工具，預(yù)過濾結(jié)果和其他創(chuàng)新工具的創(chuàng)建，所有這些工具都旨在簡化選擇運算放大器的過程。

本文的目的是說明一種簡化的過程，該過程集中于選擇運算放大器時的三個主要考慮因素，如圖1所示。前兩個考慮因素是電源電壓(Vs)和靜態(tài)電流(IQ)的主要規(guī)格)及其相應(yīng)的規(guī)范。次要規(guī)范定義為直接依賴于主要規(guī)范的規(guī)范。選擇一個沒有適當(dāng)?shù)闹饕?guī)格和次要規(guī)格的運算放大器可能不適用于該應(yīng)用。第三個也是最后一個考慮因素涉及幾個常見的運算放大器功能：封裝和價格。我還要澄清一下，本文的重點是通用和精密電壓反饋運算放大器。

運算放大器(op amp)是一種模擬電路模塊，它采用差分電壓輸入，產(chǎn)生單端電壓輸出。運算放大器通常有三個端子：兩個高阻抗輸入端子和一個低阻抗輸出端子。反相輸入用負號(-)表示，同相輸入用正號(+)表示。運算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對于信號鏈、電源和控制應(yīng)用等各種模擬功能非常有用。

運算放大器是什么?

運算放大器(op amp)是一種模擬電路模塊，它采用差分電壓輸入，產(chǎn)生單端電壓輸出。

運算放大器通常有三個端子：兩個高阻抗輸入端子和一個低阻抗輸出端子。反相輸入用負號(-)表示，同相輸入用正號(+)表示。運算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對于信號鏈、電源和控制應(yīng)用等各種模擬功能非常有用。

運算放大器的分類

有四種方法可以對運算放大器進行分類：

● 吸收電壓并在輸出端產(chǎn)生電壓的電壓放大器。

● 接收電流輸入并產(chǎn)生電流輸出的電流放大器。

● 將電壓輸入轉(zhuǎn)換為電流輸出的跨導(dǎo)放大器。

● 將電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出的跨阻放大器。

大多數(shù)運算放大器都用于電壓放大，因此本文將重點介紹電壓放大器。 運算放大器：關(guān)鍵特性和參數(shù) 運算放大器有很多重要特性和參數(shù)(見圖1)，下面將做詳細描述。

圖1：運算放大器原理圖

開環(huán)增益

開環(huán)增益：運算放大器的開環(huán)增益中的(圖1中的“A” ) 是電路無反饋時所測得的增益。開環(huán)意味著反饋路徑即反饋環(huán)路開路。開環(huán)增益通常必須非常大(10,000+)才能發(fā)揮作用，但電壓比較器除外。

電壓比較器比較輸入端子之間的電壓。輸入端子之間很小的電壓差，都可引起輸出正負電壓軌的翻轉(zhuǎn)。高開環(huán)增益在閉環(huán)配置中非常有用，因為它們可以在整個溫度、工藝和信號變化范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的電路性能。

輸入阻抗

運算放大器的另一個重要特性是它們通常具有高輸入阻抗 (圖1中的“ZIN”). 輸入阻抗在正負輸入端子之間測得，理想情況下，輸入阻抗無窮大，使源負載盡可能小(實際上輸入端會有很小的漏電流)。在運算放大器周圍布放電路可能會明顯改變電源的有效輸入阻抗，因此必須謹慎配置外部組件和反饋環(huán)路。還有一點也很重要，輸入阻抗不僅僅由輸入直流電阻決定，輸入電容也會影響電路性能，必須考慮到這一點。

輸出阻抗

理想情況下，運算放大器的輸出阻抗為零 (圖一中的“ZOUT”)。但實際上輸出阻抗通常具有較小的值，這決定了它的電流驅(qū)動和電壓緩沖能力。

頻率響應(yīng)和帶寬(BW)

理想的運算放大器具有無窮大的帶寬(BW)，并且無論信號頻率如何變化，都能保持高增益。但實際上所有運算放大器都具有有限的帶寬，通常稱為“ -3dB”帶寬，超過該帶寬，放大器的增益以-20dB / decade的速率隨頻率增加而下降。具有較高帶寬的運算放大器性能也更優(yōu)，因為它們在較高的頻率下仍可保持較高增益，但較高的增益也會導(dǎo)致更大功耗或更高的成本。

圖2：運算放大器的開環(huán)頻率響應(yīng)曲線

增益帶寬積(GBP)

顧名思義，GBP是放大器增益和帶寬的乘積。GBP是整個曲線上的常數(shù)，可以通過公式(1)來計算：

GBP是在運算放大器的增益達到單位增益的頻率點測得。用戶可以用它來計算不同頻率下設(shè)備的開環(huán)增益。GBP通常用于衡量一個運放是否有用并衡量其性能，因為具有較高GBP的運算放大器可在較高頻率下提供更佳性能。

這些都是在設(shè)計中選擇運算放大器時要考慮的主要參數(shù)，但根據(jù)應(yīng)用和性能需求，還有許多其他參數(shù)也會影響設(shè)計選擇，如輸入失調(diào)電壓、噪聲、靜態(tài)電流和電源電壓等。

負反饋和閉環(huán)增益

在運算放大器中，負反饋是通過將一部分輸出信號通過外部反饋電阻器饋送回反相輸入端來實現(xiàn)的 (見圖3)。

圖3：反相運算放大器的負反饋

負反饋用于穩(wěn)定增益。通過使用負反饋，閉環(huán)增益可以通過外部反饋組件來確定，它比通過運算放大器內(nèi)部組件確定增益具有更高的精度。因為內(nèi)部運算放大器組件可能由于工藝變化、溫度變化、電壓變化和其他因素而差異很大。閉環(huán)增益可通過公式(2)來計算：

運算放大器：優(yōu)點和局限性

使用運算放大器有很多好處。它通常以IC的形式出現(xiàn)，很容易購買，有無數(shù)種可選的性能規(guī)格，可以滿足所有應(yīng)用需求。它用途廣泛，是許多模擬應(yīng)用(包括濾波器設(shè)計、電壓緩沖器，比較器電路及許多其他應(yīng)用)的關(guān)鍵組成部分。此外，大多數(shù)公司都提供仿真支持，例如PSPICE模型，可以供設(shè)計人員在構(gòu)建實際設(shè)計之前驗證其運算放大器的設(shè)計。

其局限性在于它們是模擬電路，它要求設(shè)計人員了解模擬基本原理，如負載、頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性等。設(shè)計一個看似簡單的運放電路，最后卻出現(xiàn)振蕩，這種情況并不少見。設(shè)計人員必須了解前文討論的這些關(guān)鍵參數(shù)，了解它們?nèi)绾斡绊懺O(shè)計，這也通常意味著設(shè)計人員必須具備中上水平的模擬設(shè)計經(jīng)驗。

運算放大器配置拓撲

運算放大器有多種不同的電路拓撲，各具不同的功能。最常見的拓撲描述如下。

電壓跟隨器

最基本的運算放大器電路是電壓跟隨器(參見圖4)。這種電路通常不需要外部組件，它提供高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此是很有用的緩沖器。其輸入和輸出電壓相等，輸入變化會產(chǎn)生等效的輸出電壓變化。

圖4: 電壓跟隨器

電子設(shè)備中最常用的運算放大器是電壓放大器，它可以增加輸出電壓的幅度。反相配置和同相配置是兩種最常見的放大器配置。這兩種拓撲都為閉環(huán)，這意味著輸出端有反饋返回到輸入端子，因此電壓增益由兩個電阻的比率設(shè)定。

反相運算放大器

在反相運算放大器中，正輸入端通常接地，負輸入端子被強制等于正輸入端。其輸入電流由VIN/ R1之比決定 (見圖5)。

圖5: 反相運算放大器

在這種配置中，相同的電流通過R2流至輸出。理想情況下，由于其高ZIN，電流不會流入運算放大器的負端子。通過R2流經(jīng)負端子的電流產(chǎn)生相對于VIN的反相電壓極性。 這就是為什么這種運算放大器被稱為反相配置的原因。請注意，運算放大器的輸出只能在其正電源和負電源之間擺動，因此要產(chǎn)生負輸出電壓，就需要一個具有負電源軌的運算放大器。 VOUT可用 公式(3)來計算：

同相運算放大器

在同相放大器電路中，來自電源的輸入信號連接到同相(+)端子(請參見圖6)。

圖6: 同相運算放大器

運算放大器迫使反相(-)端子電壓等于輸入電壓，從而產(chǎn)生流經(jīng)反饋電阻的電流。輸出電壓始終與輸入電壓同相，這就是為什么將此拓撲稱為同相的原因。請注意，對于同相放大器，電壓增益始終大于1，而對于反相配置，則并非總是如此。 VOUT可用 公式(4)來計算：:

電壓比較器

運算放大器電壓比較器可以比較電壓輸入，并將輸出驅(qū)動到輸入較高的電源軌上。由于沒有反饋，這種配置被認為是開環(huán)操作。電壓比較器的優(yōu)勢是運行速度比上述閉環(huán)拓撲快很多(見圖7)。

圖7: 電壓比較器

如何選擇適合應(yīng)用的運算放大器

以下內(nèi)容介紹如何選擇運算放大器才能適合您的應(yīng)用。

首先， 選擇一個可以滿足您需要的工作電壓范圍的運算放大器。通過查看放大器的電源電壓可以獲得此信息。電源電壓可能為VDD(+)和地(單電源)，也可能放大器同時支持正電源和負電源。如果輸出需要支持負電壓，則需要負電源。

其次，考慮放大器的GBP。如果您的應(yīng)用需要支持較高頻率，或需要較高性能和較低失真，則考慮使用具有較高GBP的運算放大器。

功耗是另一個需要考慮的因素，因為某些應(yīng)用可能需要低功耗操作。通常在器件的數(shù)據(jù)手冊中可以找到建議的功率要求，通常列為電源電流和功耗。功耗也可以根據(jù)電源電流和電源電壓的乘積來估算。通常，具有較低電源電流的運算放大器具有較低的GBP，當(dāng)然電路性能也較差。 對于要求較高精度的應(yīng)用，設(shè)計人員應(yīng)特別注意放大器的輸入失調(diào)電壓，因為該電壓會導(dǎo)致放大器的輸出電壓失調(diào)。

工程師不得不在設(shè)計中使用許多不同類型的運算放大器。有些設(shè)計需要高電壓，有些需要非常低的噪聲，有些需要高穩(wěn)定性，有些需要低功耗，等等。選擇適合您設(shè)計的運算放大器芯片可能既棘手又耗時。

運算放大器的類型

基本上有兩種類型的運算放大器–電壓反饋型和電流反饋型。大多數(shù)設(shè)計使用電壓反饋作為其工作方法。在運算放大器的電壓反饋類型中，有三種主要類型由其輸入設(shè)備指定。第一個使用BJT(雙極結(jié)型晶體管)作為差分輸入對。第二種使用JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)作為其差分輸入對。第三種類型使用CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管)作為其差分輸入對。

運算放大器封裝

運算放大器通常以三種方式封裝，單封裝、雙封裝和四封裝IC。作為設(shè)計師，您必須選擇哪種類型的封裝最適合您正在設(shè)計的電路。需要四個運算放大器的設(shè)計可以使用四通道運算放大器封裝，該封裝采用標(biāo)準14引腳、DIP(雙列直插式封裝)、SOIC(小外形集成電路)和各種其他14引腳配置，如TSSOP等。

用于設(shè)計的運算放大器的應(yīng)用和選擇

用于振蕩器、緩沖器、逆變器、比較器、精密穩(wěn)壓器和電流調(diào)節(jié)器電路。

我將LM358或LM324用于低成本的PWM開關(guān)振蕩器、緩沖器、逆變器、比較器以及精密電壓和電流穩(wěn)壓器電路。LM358、LM324運算放大器采用單電源供電，輸入線性低至0伏。它們還可以與高達+/-18V的分離電源一起使用，在精密穩(wěn)壓器電路中工作得很好。與JFET和CMOS型運算放大器相比，它們的輸入偏置電流更高。設(shè)計人員必須確保+和-輸入的輸入電阻相等，以減少偏置電流引起的輸入失調(diào)誤差。它們確實有一些交叉失真，因此它們不適合音頻應(yīng)用。

用于音頻放大器和音頻電路

對于立體聲、吉他放大器和其他音頻應(yīng)用中的低噪聲音頻放大器電路，我使用TL08X系列JFET運算放大器。這些運算放大器具有低噪聲、低輸入偏置電流的特點，可與高達+/-15V的電源配合使用。它具有偏置的輸出級，以產(chǎn)生非常低的交越失真。這導(dǎo)致干凈、低失真的音頻放大。其中一個缺點是它們需要分離電源，并且輸入不是與電源軌電壓的線性1.5伏。它們在0至1.5伏的電源電壓范圍內(nèi)工作得很好。對于音頻信號電平，這不是問題。

傳感器信號處理、生物特征信號放大電路

最新和我最喜歡的運算放大器類型是MCP602X系列。它們具有RRIO(軌到軌輸入輸出)線性度和極小(1皮安)輸入偏置電流。輸入阻抗為1013歐姆，壓擺率為7V/uSEC，THD(總諧波失真)為0.00053%!這些規(guī)格是驚人的。輸入和輸出在軌到軌范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。最大的缺點是它只能在5.5伏的最大電源電壓下工作。

這意味著信號的最大峰值輸出電平為+/-2.4伏，基于5伏電源。這對于音頻信號處理、傳感器信號處理、生物特征信號放大(心電圖、腦電圖等)或其他接口放大應(yīng)用來說不是問題。該系列運算放大器的成本略高，但性能優(yōu)勢絕對值得。