如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)？

運(yùn)算放大器的概念

運(yùn)算放大器(常簡稱為“運(yùn)放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。

目前運(yùn)算放大器主體部分已集成化, 故運(yùn)算放大器也稱為集成放大電路,采用半導(dǎo)體制造工藝將二極管,三級(jí)管,電阻等元件及它們之間的邊線,集成在一塊半導(dǎo)體基片上,構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的完整電路系統(tǒng)。

其實(shí)內(nèi)部是一個(gè)高放大倍數(shù)的直接耦合放大電路,內(nèi)部一般包括:輸入級(jí),中間級(jí),輸出級(jí)和偏置電路四部分.它們的關(guān)系可表示如下圖:運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)

運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是電壓增益大,輸入電阻大,輸出電阻小。

運(yùn)算放大器的分類

有兩種分類方法,分別為按特性不同分和按結(jié)構(gòu)不同分,具體內(nèi)容可以用圖表示如下:

運(yùn)算放大器的特點(diǎn)

(1)集成運(yùn)算放大器采用直接耦合放大電路,對(duì)直流信號(hào)和交流信號(hào)都有放大作用.

(2)為克服零漂現(xiàn)象,提高共模抑制比,輸入端全部采用差分放大電路,并采用恒流源供電.

(3)采用復(fù)合管提高電路的增益.

(4)電路中的無源器件多用有源器件來代替.

(5)總結(jié)可得最重要的三個(gè)特性是:1,高輸入阻抗;2,高電壓增益;3,低輸出阻抗.

運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)

集成運(yùn)放的性能指標(biāo)較多,可主要常用的幾種有:

(1)開環(huán)差模電路增益 (2)輸入失調(diào)電壓及失調(diào)電壓溫漂 (3)輸入失調(diào)電流及失調(diào)電流溫漂 (4)差模輸入電阻 (5)輸入電阻 (6)共模抑制比 (7)截止頻率 (8)轉(zhuǎn)換速率

運(yùn)算放大器的功能

運(yùn)放有相加、相 減、比例放大、積分微分等運(yùn)算功能,運(yùn)放可以構(gòu)成的簡單高通、低通濾波器。可以制成波形發(fā)生器。

運(yùn)算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器，常用于高精度模擬電路，因此必須精確測量其性能。但在開環(huán)測量中，其開環(huán)增益可能高達(dá) 107或更高，而拾取、雜散電流或塞貝克(熱電偶)效應(yīng)可能會(huì)在放大器輸入端產(chǎn)生非常小的電壓，這樣誤差將難以避免。

通過使用伺服環(huán)路，可以大大簡化測量過程，強(qiáng)制放大器輸入調(diào)零，使得待測放大器能夠測量自身的誤差。圖 1 顯示了一個(gè)運(yùn)用該原理的多功能電路，它利用一個(gè)輔助運(yùn)放作為積分器，來建立一個(gè)具有極高直流開環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。開關(guān)為執(zhí)行下面所述的各種測試提供了便利。

所示電路能夠?qū)⒋蟛糠譁y量誤差降至最低，支持精確測量大量直流和少量交流參數(shù)。附加的“輔助”運(yùn)算放大器無需具有比待測運(yùn)算放大器更好的性能，其直流開環(huán)增益最好能達(dá)到106或更高。如果待測器件(DUT)的失調(diào)電壓可能超過幾mV，則輔助運(yùn)放應(yīng)采用±15 V電源供電(如果DUT的輸入失調(diào)電壓可能超過 10 mV，則需要減小 99.9 k?電阻R3 的阻值。)

DUT 的電源電壓+V 和–V 幅度相等、極性相反?？傠娫措妷豪硭?dāng)然是 2 × V。該電路使用對(duì)稱電源，即使“單電源”運(yùn)放也是如此，因?yàn)橄到y(tǒng)的地以電源的中間電壓為參考。

作為積分器的輔助放大器在直流時(shí)配置為開環(huán)(最高增益)，但其輸入電阻和反饋電容將其帶寬限制為幾 Hz。這意味著，DUT 輸出端的直流電壓被輔助放大器以最高增益放大，并通過一個(gè) 1000:1 衰減器施加于 DUT 的同相輸入端。負(fù)反饋將DUT 輸出驅(qū)動(dòng)至地電位。(事實(shí)上，實(shí)際電壓是輔助放大器的失調(diào)電壓，更精確地說是該失調(diào)電壓加上輔助放大器的偏置電流在 100 k? 電阻上引起的壓降，但它非常接近地電位，因此無關(guān)緊要，特別是考慮到測量期間此點(diǎn)的電壓變化不大可能超過幾 mV)。

測試點(diǎn) TP1 上的電壓是施加于 DUT 輸入端的校正電壓(與誤差在幅度上相等)的 1000 倍，約為數(shù)十 mV 或更大，因此可以相當(dāng)輕松地進(jìn)行測量。

理想運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓(Vos)為 0，即當(dāng)兩個(gè)輸入端連在一起并保持中間電源電壓時(shí)，輸出電壓同樣為中間電源電壓?，F(xiàn)實(shí)中的運(yùn)算放大器則具有幾微伏到幾毫伏不等的失調(diào)電壓，因此必須將此范圍內(nèi)的電壓施加于輸入端，使輸出處于中間電位。

給出了最基本測試——失調(diào)電壓測量的配置。當(dāng) TP1 上的電壓為 DUT 失調(diào)電壓的 1000 倍時(shí)， DUT 輸出電壓處于地電位。

失調(diào)電壓測量

理想運(yùn)算放大器具有無限大的輸入阻抗，無電流流入其輸入端。但在現(xiàn)實(shí)中，會(huì)有少量“偏置”電流流入反相和同相輸入端(分別為Ib–和Ib+)，它們會(huì)在高阻抗電路中引起顯著的失調(diào)電壓。根據(jù)運(yùn)算放大器類型的不同，這種偏置電流可能為幾fA( 1 fA = 10–15 A，每隔幾微秒流過一個(gè)電子)至幾nA;在某些超快速運(yùn)算放大器中，甚至達(dá)到 1 - 2 μA。圖 3 顯示如何測量這些電流。

圖 3. 失調(diào)和偏置電流測量

該電路與圖 2 的失調(diào)電壓電路基本相同，只是DUT輸入端增加了兩個(gè)串聯(lián)電阻R6 和R7。這些電阻可以通過開關(guān)S1 和S2短路。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)均閉合時(shí)，該電路與圖 2 完全相同。當(dāng)S1斷開時(shí)，反相輸入端的偏置電流流入Rs，電壓差增加到失調(diào)電壓上。通過測量TP1 的電壓變化(=1000 Ib–×Rs)，可以計(jì)算出Ib–。同樣，當(dāng)S1 閉合且S2 斷開時(shí)，可以測量Ib+。如果先在S1 和S2 均閉合時(shí)測量TP1 的電壓，然后在S1 和S2 均斷開時(shí)再次測量TP1 的電壓，則通過該電壓的變化可以測算出“輸入失調(diào)電流” Ios，即Ib+與Ib–之差。 R6 和R7 的阻值取決于要測量的電流大小。

如果Ib的值在 5 pA左右，則會(huì)用到大電阻，使用該電路將非常困難，可能需要使用其它技術(shù)，牽涉到Ib給低泄漏電容(用于代替Rs)充電的速率。

當(dāng)S1 和S2 閉合時(shí)， Ios仍會(huì)流入 100 ?電阻，導(dǎo)致Vos誤差，但在計(jì)算時(shí)通?？梢院雎运?，除非Ios足夠大，產(chǎn)生的誤差大于實(shí)測Vos的 1%。

運(yùn)算放大器的開環(huán)直流增益可能非常高， 107以上的增益也并非罕見，但 250,000 到 2,000,000 的增益更為常見。直流增益的測量方法是通過S6 切換DUT輸出端與 1 V基準(zhǔn)電壓之間的R5，迫使DUT的輸出改變一定的量(圖 4 中為 1 V，但如果器件采用足夠大的電源供電，可以規(guī)定為 10 V)。如果R5處于+1 V，若要使輔助放大器的輸入保持在 0 附近不變，DUT輸出必須變?yōu)楱C1 V。

圖 4. 直流增益測量

TP1 的電壓變化衰減 1000:1 后輸入 DUT，導(dǎo)致輸出改變 1 V，由此很容易計(jì)算增益(= 1000 × 1 V/TP1)。

為了測量開環(huán)交流增益，需要在 DUT 輸入端注入一個(gè)所需頻率的小交流信號(hào)，并測量相應(yīng)的輸出信號(hào)(圖 5 中的 TP2)。完成后，輔助放大器繼續(xù)使 DUT 輸出端的平均直流電平保持穩(wěn)定。

圖 5. 交流增益測量

圖 5 中，交流信號(hào)通過 10,000:1 的衰減器施加于 DUT 輸入端。對(duì)于開環(huán)增益可能接近直流值的低頻測量，必須使用如此大的衰減值。(例如，在增益為 1,000,000 的頻率時(shí)， 1 V rms 信號(hào)

會(huì)將 100 μV 施加于放大器輸入端，放大器則試圖提供 100 Vrms 輸出，導(dǎo)致放大器飽和。)因此，交流測量的頻率一般是幾百 Hz 到開環(huán)增益降至 1 時(shí)的頻率;在需要低頻增益數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)非常小心地利用較低的輸入幅度進(jìn)行測量。所示的簡單衰減器只能在 100 kHz 以下的頻率工作，即使小心處理了雜散電容也不能超過該頻率。如果涉及到更高的頻率，則需要使用更復(fù)雜的電路。

運(yùn)算放大器的共模抑制比(CMRR)指共模電壓變化導(dǎo)致的失調(diào)電壓視在變化與所施加的共模電壓變化之比。在 DC 時(shí)，它一般在 80 dB 至 120 dB 之間，但在高頻時(shí)會(huì)降低。

差分運(yùn)算放大器(Differential Amplifier)就是一種能夠放大兩個(gè)輸入信號(hào)差值的電子器件，可以在許多電路中起到重要的作用。

差分運(yùn)算放大器的工作原理非常簡單。它有兩個(gè)輸入端口，分別稱為非反相輸入端口和反相輸入端口。當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)的電壓不同時(shí)，差分運(yùn)算放大器會(huì)將它們的差值放大，這也是它得名的原因。

差分運(yùn)算放大器在電路中有廣泛的應(yīng)用。比如，在音頻放大器中，差分運(yùn)算放大器可以用來減少噪聲，提高音質(zhì)。在測量系統(tǒng)中，它可以用來放大微弱的信號(hào)，提高系統(tǒng)的靈敏度。在模擬信號(hào)處理電路中，它可以用來進(jìn)行濾波、放大、采樣等操作。

差分運(yùn)算放大器的優(yōu)勢還不止于此。它還具有高增益、低噪聲、高輸入阻抗等特點(diǎn)，能夠幫助工程師們處理復(fù)雜的信號(hào)。

那么差分運(yùn)算放大器的應(yīng)用場景有哪些呢?它可以用來進(jìn)行信號(hào)放大。比如，當(dāng)你需要將微弱的信號(hào)放大到足以被其他電路處理時(shí)，就可以使用差分運(yùn)算放大器。它可以用來進(jìn)行信號(hào)濾波。比如，當(dāng)你需要在電路中去除某些頻率的噪聲時(shí)，就可以使用差分運(yùn)算放大器來濾波。它還可以用來進(jìn)行信號(hào)采樣、比較等操作。

當(dāng)然，差分運(yùn)算放大器也有一些限制。比如，它對(duì)輸入信號(hào)的共模電壓有一定的要求，如果共模電壓太高，就會(huì)影響放大器的工作。它還需要外部電路來進(jìn)行電源濾波、反饋控制等操作，需要一些的知識(shí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。

總體來說，差分運(yùn)算放大器是一種非常有用的電子器件，可以幫助工程師們處理復(fù)雜的信號(hào)。如果你需要進(jìn)行信號(hào)處理，那么差分運(yùn)算放大器一定是你不可或缺的好幫手!