運(yùn)算放大器使用秘籍及放大器電路常見問題分析

運(yùn)算放大器(簡稱“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。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。[1] 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”。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，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

說到運(yùn)算放大器，可能普通人都很陌生，但是它所運(yùn)用的領(lǐng)域卻和人們的生活息息相關(guān)，作為電路中的重要元器件，它已經(jīng)在汽車電子、通信、消費(fèi)等各領(lǐng)域承擔(dān)起了重要的作用。所謂運(yùn)算放大器，是指具有很高放大倍數(shù)的電路單元。

運(yùn)算放大器的應(yīng)用

1、反向比例電路：

反向比例電路如下圖所示，輸入信號加入反相輸入端，同相輸入端通過電阻接地;Uo=(-Rf/R1)Ui。

2、同向比例電路：輸入信號加入同相輸入端，反相輸入端通過電阻接地;Uo=(1+Rf/R1)Ui。

3、差動(dòng)比例電路：輸入信號分別加在反相輸入端和同相輸入端。

(1)R1+Rf R3 Rf;

(2)Uo=-------(Ui2------- - Ui1-------);

(3)R1 R2+R3 R1+Rf;

(4)如果Rf=A*R1，R3=A*R2;

(5)則上面的公式變?yōu)椋篣o=A*(Ui2-Ui1);

(6)如圖所示為差動(dòng)放大器的失調(diào)調(diào)零電路。將失調(diào)調(diào)整電壓引入差動(dòng)放大電路時(shí)，應(yīng)不影響差模信號的平衡。在電路中R3、R5組成高比例分壓器.給R2'的右端提供可變電位。進(jìn)而由R1'和R2'再次分壓，在運(yùn)放的同相輸入端得到失調(diào)調(diào)整電壓。一般R5的阻值較小，目的在于提高分壓比。為了獲得較高的精度，有時(shí)為減小引入的共模誤差需微調(diào)R2'，借以保證下式成立。

(7)R2/R1=(R2'+ R5)/R1'.

(8)圖中所示電路.其失調(diào)電壓調(diào)整范圍由下式?jīng)Q定：

失調(diào)電壓調(diào)整范圍=VD(R5/(R3+R5))(R1'/R1'+R2')

(9)按照上圖，取VD=15V，失調(diào)電壓調(diào)整范圍=±7.5mV

注：原文最后結(jié)論為失調(diào)電壓調(diào)整范圍=±15mV。個(gè)人認(rèn)為其計(jì)算有誤。

運(yùn)算放大器的分類

1、通用型

通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例μA741(單運(yùn)放)、LM358(雙運(yùn)放)、LM324(四運(yùn)放)及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。

2、高阻型

這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>1GΩ~1TΩ，IB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347(四運(yùn)放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

3、低溫漂型

在精密儀器、弱信號檢測等自動(dòng)控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。當(dāng)前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。

4、高速型

在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、μA715等，其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

5、低功耗型

由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±2V~±18V，消耗電流為50~250μA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)μW級，例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供電。

6、高壓大功率型

運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V，μA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。

7、可編程控制型

在儀器儀表得使用過程中都會(huì)涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出，就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù).例如:有一運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)為10倍，輸入信號為1mv時(shí)，輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時(shí)，輸出就只有1mv，為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100。程控運(yùn)放就是為了解決這一問題而產(chǎn)生的。例如PGA103A，通過控制1,2腳的電平來改變放大的倍數(shù)。

運(yùn)算放大器使用秘籍

1、注意輸入電壓是否超限

圖1-1是ADI的OP07數(shù)據(jù)表中的輸入電氣特性的一部分，可以看到在電源電壓±15V的條件下，輸入電壓的范圍是±13.5V，如果輸入電壓超出范圍，那么運(yùn)放就會(huì)工作不正常，出現(xiàn)一些意料不到的情況。

而有一些運(yùn)放標(biāo)注的不是輸入電壓范圍，而是共模輸入電壓范圍，如圖1-2是TI的TLC2272數(shù)據(jù)表的一部分，在單電源+5V的條件下，共模輸入范圍是0-3.5V.其實(shí)由于運(yùn)放正常工作時(shí)，同相端和反相端輸入電壓基本是一致的(虛短虛斷)，所以“輸入電壓范圍”與“共模輸入電壓范圍”都是一樣的意思。

2、不要在運(yùn)放輸出直接并接電容

在直流信號放大電路中，有時(shí)候?yàn)榱私档驮肼暎苯釉谶\(yùn)放輸出并接去耦電容(如圖2-1)。雖然放大的是直流信號，但是這樣做是很不安全的。當(dāng)有一個(gè)階躍信號輸入或者上電瞬間，運(yùn)放輸出電流會(huì)比較大，而且電容會(huì)改變環(huán)路的相位特性，導(dǎo)致電路自激振蕩，這是我們不愿意看到的。正確的去耦電容應(yīng)該要組成RC電路，就是在運(yùn)放的輸出端先串入一個(gè)電阻，然后再并接去耦電容(如圖2-2)。這樣做可以大大削減運(yùn)放輸出瞬間電流，也不會(huì)影響環(huán)路的相位特性，可以避免振蕩。

3、不要在放大電路反饋回路并接電容

如圖3-1所示，同樣是一個(gè)用于直流信號放大的電路，為了去耦，不小心把電容并接到了反饋回路，反饋信號的相位發(fā)生了改變，很容易就會(huì)發(fā)生振蕩。所以，在放大電路中，反饋回路不能加入任何影響信號相位的電路。由此延伸至穩(wěn)壓電源電路，如圖3-2，并接在反饋腳的C3是錯(cuò)誤的。為了降低紋波，可以把C3與R1并聯(lián)，適當(dāng)增大紋波的負(fù)反饋?zhàn)饔?，抑制輸出紋波。

4、注意運(yùn)放的輸出擺幅

任何運(yùn)放都不可能是理想運(yùn)放，輸出電壓都不可能達(dá)到電源電壓，一般基于MOS的運(yùn)放都是軌對軌運(yùn)放，在空載情況下輸出可以達(dá)到電源電壓，但是輸出都會(huì)帶一定的負(fù)載，負(fù)載越大，輸出降落越多?；谌龢O管的運(yùn)放輸出幅度的相對值更小，有的運(yùn)放輸出幅度比電源電壓要小2~6V，比如NE5532.圖4-1就是TI的TLC2272在+5V供電的輸出特性，它屬于軌對軌運(yùn)放，如果用該器件作為ADC采樣的前級放大(如圖4-2)，單電源+5V供電，那么當(dāng)輸入接近0V的時(shí)候，輸入和輸出變得非線性的了。解決的方法是引入負(fù)電源，比如在4腳加入-1V的負(fù)電源，這樣在整個(gè)輸入范圍內(nèi)，輸出與輸入都是線性的了。

5、注意反饋回路的Layout

反饋回路的元器件必須要靠近運(yùn)放，而且PCB走線要盡量短，同時(shí)要盡量避開數(shù)字信號、晶振等干擾源。反饋回路的布局布線不合理，則會(huì)容易引入噪聲，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致自激振蕩。

6、要重視電源濾波

運(yùn)放的電源濾波不容忽視，電源的好壞直接影響輸出。特別是對于高速運(yùn)放，電源紋波對運(yùn)放輸出干擾很大，弄不好就會(huì)變成自激振蕩。所以最好的運(yùn)放濾波是在運(yùn)放的電源腳旁邊加一個(gè)0.1uF的去耦電容和一個(gè)幾十uF的鉭電容，或者再串接一個(gè)小電感或者磁珠，效果會(huì)更好。

運(yùn)算放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)技巧

一、如何實(shí)現(xiàn)微弱信號放大?

傳感器+運(yùn)算放大器+ADC+處理器是運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用電路，在這種應(yīng)用中，一個(gè)典型的問題是傳感器提供的電流非常低，在這種情況下，如何完成信號放大?對于微弱信號的放大，只用單個(gè)放大器難以達(dá)到好的效果，必須使用一些較特別的方法和傳感器激勵(lì)手段，而使用同步檢測電路結(jié)構(gòu)可以得到非常好的測量效果。這種同步檢測電路類似于鎖相放大器結(jié)構(gòu)，包括傳感器的方波激勵(lì)，電流轉(zhuǎn)電壓放大器，和同步解調(diào)三部分。需要注意的是電流轉(zhuǎn)電壓放大器需選用輸入偏置電流極低的運(yùn)放。另外同步解調(diào)需選用雙路的SPDT模擬開關(guān)。在運(yùn)放、電容、電阻的選擇和布板時(shí)，要特別注意選擇高阻抗、低噪聲運(yùn)算和低噪聲電阻。以下給出幾點(diǎn)建議：

1、電路設(shè)計(jì)時(shí)注意平衡的處理，盡量平衡，對于抑制干擾有效，這些在美國國家半導(dǎo)體、BB(已被TI收購)、ADI等公司關(guān)于運(yùn)放的設(shè)計(jì)手冊中均可以查到。

2、推薦加金屬屏蔽罩，將微弱信號部分罩起來(開個(gè)小模具)，金屬體接電路地，可以大大改善電路抗干擾能力。

3、對于傳感器輸出的nA級，選擇輸入電流pA級的運(yùn)放即可。如果對速度沒有多大的要求，運(yùn)放也不貴。儀表放大器當(dāng)然最好了，就是成本高些。

4、若選用非儀表運(yùn)放，反饋電阻就不要太大了，M歐級好一些。否則對電阻要求比較高。后級再進(jìn)行2級放大，中間加入簡單的高通電路，抑制50Hz干擾。

二、運(yùn)算放大器的偏置設(shè)置

在雙電源運(yùn)放在接成單電源電路時(shí)，有時(shí)在偏置電壓的設(shè)置方面會(huì)遇到一些兩難選擇，比如作為偏置的直流電壓是用電阻分壓好還是接參考電壓源好?用參考電壓源，精度高，此外還能提供較低的交流旁路。用電阻，成本低而且方便。如果采用基準(zhǔn)電壓的話，效果最好，這種基準(zhǔn)電壓使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到最小的噪聲和最高的PSRR。但若采用電阻分壓方式，必須考慮電源紋波對系統(tǒng)的影響，這種用法噪聲比較高，PSRR比較低。

三、 如何解決運(yùn)算放大器的零漂問題?

舉個(gè)例子，壓電加速度傳感器會(huì)接一級電荷放大器來實(shí)現(xiàn)電荷——電壓轉(zhuǎn)換，可是在傳感器動(dòng)態(tài)工作時(shí)，電荷放大器的輸出電壓會(huì)有不歸零的現(xiàn)象發(fā)生，如何解決這個(gè)問題?

1、首先分析有幾種可能性會(huì)導(dǎo)致零漂：

(1)反饋電容ESR特性不好，隨電荷量的變化而變化;

(2)反饋電容兩端未并上電阻，為了放大器的工作穩(wěn)定，減少零漂，在反饋電容兩端并上電阻，形成直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn);

(3)可能挑選的運(yùn)算放大器的輸入阻抗不夠高，造成電荷泄露，導(dǎo)致零漂。

2、設(shè)計(jì)時(shí)使干擾源漂移小、使纜線電阻大，可以減少零漂。運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗要高、運(yùn)放的反饋電阻要小，即反饋電阻的作用是為了防止漂移，穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。但是反饋電阻太小的話，也會(huì)影響到放大器的頻率下限。所以必須綜合考慮!此外采用開關(guān)電容電路的技巧和采用同步檢測電路結(jié)構(gòu)，都可以有效零漂問題。

上述是賢集網(wǎng)小編為大家介紹的運(yùn)算放大器的應(yīng)用、分類、使用秘籍、應(yīng)用設(shè)計(jì)技巧。如今，低功耗、小尺寸系列運(yùn)算放大器與人們的日常生活密不可分，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)和平板電腦的普及和快速更新?lián)Q代，具有超低功耗和占用面積小的特點(diǎn)的低功耗、小尺寸系列運(yùn)算放大器，在現(xiàn)代通訊技術(shù)中，占據(jù)了越來越重要的作用，功能分類也日趨明細(xì)，包括低功耗、高精度運(yùn)算放大器，低功耗、高性能運(yùn)算放大器，低功耗、小尺寸運(yùn)算放大器等等，理想用于智能手機(jī)、平板電腦和便攜式醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用。高精度、低噪聲運(yùn)算放大器常用于對來自傳感器的溫度、壓力、光等信號在進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之前進(jìn)行調(diào)理。主要評價(jià)指標(biāo)包括輸入失調(diào)電壓和輸入電壓噪聲這兩個(gè)運(yùn)放指標(biāo)。高壓運(yùn)算放大器適用于輸入信號大于10V或±5V、且要求高精度輸出的應(yīng)用，目前最先進(jìn)的高壓運(yùn)算放大器能夠處理高達(dá)38V (單電源)或±19V (雙電源)的輸入信號。而隨著工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的需求，未來可能還會(huì)出現(xiàn)其它種類的運(yùn)算放大器。

放大器電路常見問題

最常遇到的一個(gè)應(yīng)用問題是在交流(AC)耦合運(yùn)算放大器或儀表放大器電路中沒有提供偏置電流的直流(DC)回路。在圖1中，一只電容器與運(yùn)算放大器的同相輸入端串聯(lián)以實(shí)現(xiàn)AC耦合，這是一種隔離輸入電壓(VIN)的DC分量的簡單方法。這在高增益應(yīng)用中尤其有用，在那些應(yīng)用中哪怕運(yùn)算放大器輸入端很小的直流電壓都會(huì)限制動(dòng)態(tài)范圍，甚至導(dǎo)致輸出飽和。然而，在高阻抗輸入端加電容耦合，而不為同相輸入端的電流提供DC通路，會(huì)出現(xiàn)問題。

實(shí)際上，輸入偏置電流會(huì)流入耦合的電容器，并為它充電，直到超過放大器輸入電路的共模電壓的額定值或使輸出達(dá)到極限。根據(jù)輸入偏置電流的極性，電容器會(huì)充電到電源的正電壓或負(fù)電壓。放大器的閉環(huán)DC增益放大偏置電壓。

這個(gè)過程可能會(huì)需要很長時(shí)間。例如，一只場效應(yīng)管(FET)輸入放大器，當(dāng)1pA的偏置電流與一個(gè)0.1μF電容器耦合時(shí)，其充電速率I/C為10–12/10–7=10μV/s，或每分鐘600μV。如果增益為100，那么輸出漂移為每分鐘0.06V。因此，一般實(shí)驗(yàn)室測試(使用AC耦合示波器)無法檢測到這個(gè)問題，而電路在數(shù)小時(shí)之后才會(huì)出現(xiàn)問題。顯然，完全避免這個(gè)問題非常重要。

圖2示出了對這常見問題的一種簡單的解決方案。這里，在運(yùn)算放大器輸入端和地之間接一只電阻器，為輸入偏置電流提供一個(gè)對地回路。為了使輸入偏置電流造成的失調(diào)電壓最小，當(dāng)使用雙極性運(yùn)算放大器時(shí)，應(yīng)該使其兩個(gè)輸入端的偏置電流相等，所以通常應(yīng)將R1的電阻值設(shè)置成等于R2和R3的并聯(lián)阻值。

然而，應(yīng)該注意的是，該電阻器R1總會(huì)在電路中引入一些噪聲，因此要在電路輸入阻抗、輸入耦合電容器的尺寸和電阻器引起的Johnson噪聲之間進(jìn)行折衷。典型的電阻器阻值一般在100，000Ω~1MΩ之間。

類似的問題也會(huì)出現(xiàn)在儀表放大器電路中。圖3示出了使用兩只電容器進(jìn)行AC耦合的儀表放大器電路，沒有提供輸入偏置電流的返回路徑。這個(gè)問題在使用雙電源(圖3a)和單電源(圖3b)供電的儀表放大器電路中很常見。

這類問題也會(huì)出現(xiàn)在變壓器耦合放大器電路中，如圖4所示，如果變壓器次級電路中沒有提供DC對地回路，該問題就會(huì)出現(xiàn)。

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。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。 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”。運(yùn)算放大器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅可以用于普通的放大，還可以完成信號的加減乘除等“運(yùn)算”任務(wù)，其在濾波器的設(shè)計(jì)中也擔(dān)任著重要的角色，一些速度較快、性能較高的運(yùn)算放大器還可以完成比較簡單的信號比較的任務(wù)。