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

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(cè)量其性能。但在開(kāi)環(huán)測(cè)量中，其開(kāi)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(guò)使用伺服環(huán)路，可以大大簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，強(qiáng)制放大器輸入調(diào)零，使得待測(cè)放大器能夠測(cè)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(lái)建立一個(gè)具有極高直流開(kāi)環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。開(kāi)關(guān)為執(zhí)行下面所述的各種測(cè)試提供了便利。

集成運(yùn)算放大器的長(zhǎng)期不穩(wěn)定性與器件的低頻噪聲密切相關(guān),本文提出一種新型的集成運(yùn)放低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng).首先建立了運(yùn)算放大器的噪聲模型,然后對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,最后對(duì)該集成運(yùn)放的低頻噪聲進(jìn)行測(cè)量及數(shù)據(jù)采集.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集成運(yùn)放低頻噪聲時(shí)域時(shí)間序列和0～100kHz頻域內(nèi)頻譜密度數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集,且與傳統(tǒng)的由交流電源供電的測(cè)量方法比較,背景噪聲減少60%,為集成運(yùn)放的故障診斷提供了準(zhǔn)確的評(píng)估方法.

運(yùn)算放大器,運(yùn)算放大器是什么意思

運(yùn)算放大器的概念

運(yùn)算放大器(常簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)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。現(xiàn)今運(yùn)放的種類(lèi)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(chēng)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(lèi)

有兩種分類(lèi)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(wú)源器件多用有源器件來(lái)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(kāi)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(jiǎn)單高通、低通濾波器?？梢灾瞥刹ㄐ伟l(fā)生器。

為了應(yīng)求對(duì)傳感器信號(hào)放大不斷增加的需求，從1μA以下的低功耗到20MHz的高速度，我們都備有一系列的特色產(chǎn)品。 我們還提供具有高抗電磁干擾能力的產(chǎn)品，以減少由智能手機(jī)等通信設(shè)備引起的故障;以及具有耐壓性能的產(chǎn)品，以防止電流從電源反向流入輸入端;還有高速產(chǎn)品，可以驅(qū)動(dòng)1000pF以上的電容性負(fù)載(Enhanced C-Drive TM)。 本公司有多種運(yùn)算放大器產(chǎn)品可供選擇，以滿(mǎn)足各種傳感器的應(yīng)用。

運(yùn)算放大器是具有差分輸入和單端輸出的極高增益放大器。它們通常用于高精度模擬電路，因此準(zhǔn)確測(cè)量其性能非常重要。但在開(kāi)環(huán)測(cè)量中，它們的開(kāi)環(huán)增益很高，可能高達(dá)107或者更多，使得放大器輸入端由于拾音、雜散電流或塞貝克(熱電偶)效應(yīng)而導(dǎo)致的非常小的電壓很難避免誤差。

通過(guò)使用伺服環(huán)路在放大器輸入端強(qiáng)制零點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，從而使被測(cè)放大器基本上可以測(cè)量自己的誤差。圖1所示為采用該原理的通用電路，采用輔助運(yùn)算放大器作為積分器，以建立具有極高直流開(kāi)環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。這些開(kāi)關(guān)有助于執(zhí)行以下簡(jiǎn)化圖中所述的各種測(cè)試。圖1.基本運(yùn)算放大器測(cè)量電路。

圖1所示電路將大部分測(cè)量誤差降至最低，并允許精確測(cè)量大量直流和一些交流參數(shù)。額外的“輔助”運(yùn)算放大器不需要比被測(cè)運(yùn)算放大器更好的性能。如果直流開(kāi)環(huán)增益為100萬(wàn)或更多，則很有幫助;如果被測(cè)器件(DUT)的失調(diào)可能超過(guò)幾mV，則輔助運(yùn)算放大器應(yīng)采用±15 V電源供電(如果DUT的輸入失調(diào)可能超過(guò)10 mV，則需要減小99.9 kΩ電阻R3)。

DUT的電源電壓+V和–V幅度相等，符號(hào)相反。當(dāng)然，總電源電壓為2 × V.即使采用本電路的“單電源”運(yùn)算放大器，也使用對(duì)稱(chēng)電源，因?yàn)橄到y(tǒng)接地基準(zhǔn)電壓源是電源的中點(diǎn)。

作為積分器，輔助放大器配置為直流開(kāi)環(huán)(全增益)，但其輸入電阻和反饋電容將其帶寬限制在幾Hz。這意味著DUT輸出端的直流電壓被輔助放大器的全增益放大，并通過(guò)1000：1衰減器施加到DUT的同相輸入端。負(fù)反饋迫使 DUT 的輸出變?yōu)榈仉娢弧?事實(shí)上，實(shí)際電壓是輔助放大器的失調(diào)電壓——或者，如果我們真的要一絲不茍的話，這個(gè)失調(diào)加上100 kΩ電阻中由于輔助放大器的偏置電流而產(chǎn)生的壓降——但這離地足夠近，并不重要，特別是因?yàn)闇y(cè)量期間該點(diǎn)電壓的變化不太可能超過(guò)幾微伏)。

測(cè)試點(diǎn)TP1上的電壓是施加到DUT輸入端的校正電壓(誤差幅度相等)的1000倍。這將是幾十mV或更多，因此很容易測(cè)量。

理想運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓為零(V操作系統(tǒng));也就是說(shuō)，如果兩個(gè)輸入連接在一起并保持在電源之間的中間電壓，則輸出電壓也應(yīng)位于電源之間的中間位置。在現(xiàn)實(shí)生活中，運(yùn)算放大器的失調(diào)范圍從幾微伏到幾毫伏不等，因此必須向輸入施加此范圍內(nèi)的電壓，以使輸出達(dá)到中間電位。

圖2顯示了最基本測(cè)試的配置——失調(diào)測(cè)量。當(dāng) TP1 上的電壓是其偏移的 1000 倍時(shí)，DUT 輸出電壓處于地電位。圖2.偏移測(cè)量。

理想的運(yùn)算放大器具有無(wú)限輸入阻抗，輸入中沒(méi)有電流流動(dòng)。實(shí)際上，小的“偏置”電流在反相和同相輸入(Ib–和我B+分別);它們會(huì)在高阻抗電路中引起明顯的失調(diào)。根據(jù)運(yùn)算放大器類(lèi)型，它們的范圍可以從幾飛安(1 fA = 10–15A——每幾微秒一個(gè)電子)到幾納安，或者甚至在一些非?？斓倪\(yùn)算放大器中——一到兩微安。圖3顯示了如何測(cè)量這些電流。

圖3.失調(diào)和偏置電流測(cè)量。

該電路與圖2的失調(diào)電路相同，只是增加了兩個(gè)電阻R6和R7，與DUT輸入串聯(lián)。這些電阻可通過(guò)開(kāi)關(guān) S1 和 S2 短路。兩個(gè)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電路與圖2相同。當(dāng)S1開(kāi)路時(shí)，來(lái)自反相輸入的偏置電流以Rs為單位流動(dòng)，電壓差增加到失調(diào)。通過(guò)測(cè)量TP1(=1000我b–×Rs)，我們可以計(jì)算我b–;同樣，通過(guò)關(guān)閉 S1 并打開(kāi) S2，我們可以測(cè)量我B+.如果在TP1處測(cè)量電壓，S1和S2均閉合，然后均開(kāi)路，則“輸入失調(diào)電流”I操作系統(tǒng)，我之間的區(qū)別B+和我b–，由變化來(lái)衡量。使用的R6和R7的值將取決于要測(cè)量的電流。

對(duì)于 I 的值b在5 pA或更低的量級(jí)下，由于涉及大電阻，使用該電路變得非常困難;可能需要其他技術(shù)，可能涉及Ib對(duì)低漏電電容(取代R)充電的速率s).

當(dāng) S1 和 S2 關(guān)閉時(shí)，I操作系統(tǒng)在 100 Ω電阻中仍然流動(dòng)，并在 V 中引入誤差操作系統(tǒng)，但除非我操作系統(tǒng)大到足以產(chǎn)生大于測(cè)量 V 1% 的誤差操作系統(tǒng)在此計(jì)算中通?？梢院雎运?。

運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)直流增益可能非常高;增益大于 107不是未知的，但 250，000 到 2，000，000 之間的值更常見(jiàn)。直流增益的測(cè)量方法是，通過(guò)在DUT輸出和S6的1 V基準(zhǔn)電壓源之間切換R5，強(qiáng)制DUT的輸出移動(dòng)已知量(圖4中為1 V，但如果器件在足夠大的電源上運(yùn)行，則為10 V)。如果R5處于+1 V，則如果輔助放大器的輸入要在零附近保持不變，則DUT輸出必須移至–1 V。圖4.直流增益測(cè)量。

TP1 處的電壓變化衰減為 1000：1，是 DUT 的輸入，導(dǎo)致輸出發(fā)生 1V 變化。由此計(jì)算增益很簡(jiǎn)單(= 1000 × 1 V/TP1)。

為了測(cè)量開(kāi)環(huán)交流增益，需要在DUT輸入端注入所需頻率的小交流信號(hào)，并在其輸出端測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)(圖5中的TP2)。在此過(guò)程中，輔助放大器繼續(xù)穩(wěn)定 DUT 輸出端的平均直流電平。圖5.交流增益測(cè)量。

在圖5中，交流信號(hào)通過(guò)10，000：1衰減器施加到DUT輸入端。低頻測(cè)量需要這個(gè)大值，其中開(kāi)環(huán)增益可能接近直流值。(例如，在增益為1，000，000的頻率下，1 V rms信號(hào)將在放大器輸入端施加100 μV，這將在放大器尋求提供100 V rms輸出時(shí)使放大器飽和)。因此，交流測(cè)量通常在幾百Hz到開(kāi)環(huán)增益下降到單位的頻率下進(jìn)行，如果需要低頻增益數(shù)據(jù)，則使用較低的輸入幅度非常小心。所示的簡(jiǎn)單衰減器只能在高達(dá)100 kHz左右的頻率下工作，即使雜散電容非常小心;在更高的頻率下，需要更復(fù)雜的電路。