運(yùn)放的作用

運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)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(hào)可以是輸入信號(hào)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，因而得名“運(yùn)算放大器”。[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。[2]

中文名

運(yùn)算放大器

外文名

operational amplifier

簡(jiǎn) 稱

運(yùn)放主要參數(shù)

共模抑制、增益帶寬積等

屬 性

具有很高放大倍數(shù)的電路單元

材 質(zhì)

晶體管

運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介

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語(yǔ)音

運(yùn)算放大器是一個(gè)內(nèi)含多級(jí)放大電路的電子集成電路，其輸入級(jí)是差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點(diǎn)漂移能力;中間級(jí)主要進(jìn)行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù)，一般由共射極放大電路構(gòu)成;輸出極與負(fù)載相連，具有帶載能力強(qiáng)、低輸出電阻特點(diǎn)。運(yùn)算放大器的應(yīng)用非常廣泛。[3]

運(yùn)算放大器原理

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語(yǔ)音

運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端a(反相輸入端)，b(同相輸入端)和一個(gè)輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向

運(yùn)算放大器

輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。)之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：[2]

運(yùn)算放大器

一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口(Out)和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。[2]

運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。[2]

運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱為軌到軌(rail-to-rail)輸入運(yùn)算放大器。[2]

運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0(E1-E2)，其中，A0 是運(yùn)放的低頻開環(huán)增益(如 100dB，即 100000 倍)，E1 是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。[2]

運(yùn)算放大器分類

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語(yǔ)音

按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分，集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。

運(yùn)算放大器通用型

運(yùn)算放大器通用型運(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(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)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]

運(yùn)算放大器高阻型

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(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí)，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。[2]

運(yùn)算放大器低溫漂型

在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)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。[2]

運(yùn)算放大器高速型

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(chǎng)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。[2]

運(yùn)算放大器低功耗型

運(yùn)算放大器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(jí)，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。[2]

運(yùn)算放大器高壓大功率型

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。[2]

運(yùn)算放大器可編程控制型

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(hào)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(lái)改變放大的倍數(shù)。[2]

運(yùn)算放大器參數(shù)

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語(yǔ)音

(1)共模輸入電阻

該參數(shù)表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。[4]

(2)直流共模抑制

該參數(shù)用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同直流信號(hào)的抑制能力。[4]

(3)交流共模抑制

CMRAC用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同交流信號(hào)的抑制能力，是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。[4]

(4)增益帶寬積

增益帶寬積是一個(gè)常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。[4]

(5)輸入偏置電流

該參數(shù)指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流。[4]

(6)偏置電流溫漂

該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。[4]

(7)輸入失調(diào)電流

該參數(shù)是指流入兩個(gè)輸入端的電流之差。[4]

(8)輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)

該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。[4]

(9)差模輸入電阻

該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。在一個(gè)輸入端測(cè)量時(shí)，另一輸入端接固定的共模電壓。[4]

(10)輸出阻抗

該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗。[4]

(11)輸出電壓擺幅

該參數(shù)是指輸出信號(hào)不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。[4]

(12)功耗

運(yùn)算放大器表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。[4]

(13)電源抑制比

該參數(shù)用來(lái)衡量在電源電壓變化時(shí)運(yùn)算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時(shí)所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。[4]

(14)轉(zhuǎn)換速率

該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大值。SR通常以V/μs為單位表示，有時(shí)也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。[4]

(15)電源電流

該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。[4]

(16)單位增益帶寬

該參數(shù)指開環(huán)增益大于1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率。[4]

(17)輸入失調(diào)電壓

該參數(shù)表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。[4]

(18)輸入失調(diào)電壓溫漂(TCVOS)

該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以u(píng)V/°C為單位表示。[4]

(19)輸入電容

CIN表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)任何一個(gè)輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。[4]

(20)輸入電壓范圍

該參數(shù)指運(yùn)算放大器正常工作(可獲得預(yù)期結(jié)果)時(shí)，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。[4]

(21)輸入電壓噪聲密度(eN)

對(duì)于運(yùn)算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個(gè)輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根號(hào)Hz 為單位表示，定義在指定頻率。[4]

(22)輸入電流噪聲密度(iN)

對(duì)于運(yùn)算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個(gè)噪聲電流源，連接到每個(gè)輸入端和公共端，通常以 pA / 根號(hào)Hz 為單位表示，定義在指定頻率。[4]

(23)理想運(yùn)算放大器參數(shù)

差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻、共模抑制比、上限頻率均無(wú)窮大;輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流及其溫漂，以及噪聲均為零。[4]

運(yùn)算放大器型號(hào)命名

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語(yǔ)音

運(yùn)算放大器的國(guó)際統(tǒng)一型號(hào)命名法如下：型號(hào)由字母和阿拉伯?dāng)?shù)字兩部分組成.字母在首部，采用CF兩個(gè)字母，C表示符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)表示線性放大器。其后部的阿拉伯?dāng)?shù)字表示運(yùn)算放大器的類型。例如：通用運(yùn)算放大器( F003、F007、F030)、高速運(yùn)算放大器(F051B)、高精度運(yùn)算放大器(F714)、高阻抗運(yùn)算放大器(CF072)、低功耗運(yùn)算放大器( F010)、雙運(yùn)算放大器(CF358)以及四運(yùn)算放大器(CF324)等。其中最典型、最普及的為F007(國(guó)外型號(hào)為tLA741、t1PC741)和CF324(國(guó)外型號(hào)為L(zhǎng)M324)。[5]

運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器的選擇和使用

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語(yǔ)音

集成運(yùn)算放大器類別、品種很多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用要求合理選擇，規(guī)范使用。[5]

(1)盡量選用通用型集成運(yùn)算放大器。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，盡可能選用多運(yùn)算放大器集成電路，例如LM324、LF347等都是將4個(gè)運(yùn)算放大器封裝在一起的集成電路。[5]

(2)實(shí)際選擇集成運(yùn)算放大器時(shí)，還要考慮信號(hào)源的性質(zhì)(是電壓源還是電流源)、負(fù)載的性質(zhì)、集成運(yùn)算放大器輸出電壓和電流是否滿足要求、環(huán)境條件，集成運(yùn)算放大器允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。例如：對(duì)于放大音頻、視頻等交流信號(hào)的電路，選用轉(zhuǎn)換速率大的運(yùn)算放大器比較合適;對(duì)于處理微弱直流信號(hào)的電路，選用精度比較高的運(yùn)算放大器比較合適(即失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫漂均比較小)。[5]

(3)使用前要了解集成運(yùn)算放大器的類別及電參數(shù)，弄清楚封裝形式、外引線排法、引腳接線、供電電壓范圍等。[5]

(4)消振網(wǎng)絡(luò)應(yīng)按要求接好，在能消振的前提下兼顧帶寬。

(5)集成運(yùn)算放大器是電子電路的核心，為了減少損壞，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。[5]