運算放大器參數選型

工程師看海 2021-11-03 07:16

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運算放大器（Integrated Operational Amplifier）簡稱集成運放，是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。

運放內部結構

輸入級一般是由BJT（雙極性晶體管，電流控制器件）、JFET（結型場效應晶體管，電壓控制器件）或MOSFET（氧化物半導體場效應晶體管）組成的差動放大電路，主要是利用對稱特性提高共模抑制比，它的兩個輸人端構成整個電路的反相輸入端和同相輸入端；電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成；輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器構成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力；偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環節。如電平移動電路，過載保護電路以及高頻補償電路。

運放分類

按工作原理

① 電壓放大型

實現電壓放大，輸出回路等效成電壓控制的電壓源。

② 電流放大型

實現電流放大，輸出回路等效成電流控制的電流源。

③ 跨導放大型

將輸入電壓轉化成輸出電流，輸出回路等效成電壓控制的電流源。

④ 互阻放大型

將輸入電流轉化成輸出電壓，輸出回路等效成電流控制的電壓源。

按性能

① 高阻型

特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>（109~1012）W，IIB為幾到幾十PA。適用于測量放大電路、信號發生電路、采樣——保持電路。

② 高速型

特點是單位增益帶寬、轉換速率SR高。適用于A/D、D/A轉換器、鎖相環電路、視頻放大電路。

③ 高精度型

特點是低失調電壓、低溫漂、低噪聲、高增益。適用于微弱信號的精密測量，例如高精儀器。

④ 低功耗型

特點是靜態功耗低、工作電壓低。適用于便攜式儀器、空間技術、工業及軍事的遙感遙測領域。

⑤ 通用型

特點是價格低廉，性能指標要求一般都滿足。適用于低頻信號，簡單的信號處理。

運放參數指標

直流指標

① 輸入失調電壓VIO及溫漂αVIO

集成運放輸出端電壓為零時，兩個輸入端之間所加的補償電壓。內部電路對稱性越好，輸入失調電壓越小，運放的性能更好；αVIO溫漂是輸入失調電壓的變化與溫度變化的比值，一般運放溫漂在±10~20μV/℃之間，精密運放的溫漂小于±1μV/℃。

② 輸入偏置電流IIB

當運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端的偏置電流平均值，通常IIB越小，IIO也就越小。與制造工藝有關，雙極型晶體管一般為80～500nA，場效應管一般為1nA。

③ 輸入失調電流IIO及溫漂dVIO

當運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端偏置電流的差值。內部電路對稱性越好，輸入失調電流越小，雙極型晶體管一般為20～200nA，場效應管一般小于1nA；輸入失調電流溫漂（TCIOS)該參數代表輸入失調電流在溫度變化時產生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。

④ 開環差模增益Aod

集成運放無外加反饋時的放大倍數稱為開環差模增益，分貝數為20 lg| Aod |一般運放數值在80~120dB。

⑤ 共模抑制比KCMR

運放工作在線性區時，差模增益與共模增益的比值，20 lg KCMR。

⑥ 電源抑制比

運放工作在線性區時運放輸入失調電壓隨電源電壓的變化比值。

⑦ 最大共模輸入電壓UIcmax

正常放大差模信號的情況下允許輸入的最大共模信號，一般定義為當共模抑制比下降6dB?是所對應的共模輸入電壓作為最大共模輸入電壓。

⑧ 最大差模輸入電壓UIdmax

運放兩輸入端允許加的最大輸入電壓，當運放兩輸入端允許加的輸入電壓差超過最大差模輸入電壓時，會使內部PN結擊穿，造成運放輸入級損壞。

交流指標?

① 開環帶寬fH

開環帶寬fH是使直流開環差模增益Aod下降3dB（直流增益的0.707）的信號頻率。實際值為GBW=Gain*f。

② 單位增益帶寬fc

表示差模電壓放大倍數Aod下降到0dB(直流開環差模增益Aod=1)的頻率。一般在1MHz左右。

③ 轉換速率(又稱壓擺率)SR

SR是在大信號作用下輸出電壓在單位時間變化量的最大值，也表示運算放大器對突變信號的適應能力。要求信號幅值越大、頻率越高的情況下，壓擺率SR越大。實際值為2*π*f*Vin*Gain。

④ 共模輸入阻抗

該參數表示運算放大器工作在線性區時，輸入共模電壓范圍與該范圍內偏置電流的變化量之比。低頻時，表現為共模電阻，典型值在108歐以上。

⑤ 差模輸入阻抗（也稱為輸入阻抗）rid

該參數表示輸入電壓的變化量與相應的輸入電流變化量之比，電壓的變化導致電流的變化。差模輸入阻抗越大，信號索取電流越小。

⑥ 輸出阻抗

該參數是指運算放大器工作在線性區時，輸出端的內部等效小信號阻抗。

⑦ 全功率帶寬BW

在額定的負載時，運放的閉環增益為1倍條件下（直流開環差模增益Aod=1），將一個恒幅正弦大信號輸入到運放的輸入端，使運放的幅度最大時的頻率。全功率帶寬=轉換速率/2πVop（Vop是運放的峰值輸出幅度）。

⑧ 靜態功耗

表示無信號條件下運放的耗電程度。當電源電壓為±15V時，靜態功耗雙極型晶體管一般為50～100mW，場效應管一般為1mW。

⑨ 建立時間

在額定的負載時，運放的閉環增益為1倍條件下（直流開環差模增益Aod=1），將一個階躍大信號輸入到運放的輸入端，使運放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時間。

⑩ 輸入電壓噪聲密度（eN)、輸入電流噪聲密度（iN)

噪聲分量。

運放計算思想

虛短與虛斷是分析運放的基本點。（引入負反饋）

虛短

虛短指在理想情況下，兩個輸入端的電位相等，就好像兩個輸入端短接在一起，但事實上并沒有短接，稱為“虛短”。虛短的必要條件是運放引入深度負反饋。集成運放的線性應用時，可近似地認為uN-uP=0，uN=uP時，即反相與同相輸入端之間相當于短路，故稱虛假短路，簡稱“虛短”。

虛斷

虛斷指在理想情況下，流入集成運算放大器輸入端電流為零。這是由于理想運算放大器的輸入電阻無限大，就好像運放兩個輸入端之間開路。但事實上并沒有開路，稱為“虛斷”。當兩個輸入端的輸入電流為零，即iN=iP=0時，可認為反相與同相輸入端之間相當于斷路，稱為虛假斷路，簡稱“虛斷”。

運放保護措施

集成運放的安全保護有三個方面：電源保護、輸入保護和輸出保護。

電源保護

電源的常見故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護和電源電壓突變保護。

輸入保護

集成運放的輸入差模電壓過高或者輸入共模電壓過高（超出該集成運放的極限參數范圍）,集成運放也會損壞。

輸出保護

集成運放過載或輸出端短路時,若沒有保護電路,該運放就會損壞。有些集成運放內部設置了限流保護或短路保護。

運算放大器六條軍規

運算放大器作為最通用的模擬器件，廣泛用于信號變換調理、ADC采樣前端、電源電路等場合中。雖然運放外圍電路簡單，不過在使用過程中還是有很多需要注意的地方。

注意輸入電壓是否超限

以ADI器件為例，ADI的數據表中的輸入電氣特性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，那么運放就會工作不正常，出現一些意料不到的情況。有一些運放標注的不是輸入電壓范圍，而是共模輸入電壓范圍，如TI的TLC2272在單電源+5V的條件下，共模輸入范圍是0-3.5V.其實由于運放正常工作時，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。

不要在運放輸出直接并接電容

在直流信號放大電路中，有時候為了降低噪聲，直接在運放輸出并接去耦電容。雖然放大的是直流信號，但是這樣做是很不安全的。當有一個階躍信號輸入或者上電瞬間，運放輸出電流會比較大，而且電容會改變環路的相位特性，導致電路自激振蕩，這是我們不愿意看到的。

正確的去耦電容應該要組成RC電路，就是在運放的輸出端先串入一個電阻，然后再并接去耦電容。這樣做可以大大削減運放輸出瞬間電流，也不會影響環路的相位特性，可以避免振蕩。

不要在放大電路反饋回路并接電容

同樣是一個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，反饋信號的相位發生了改變，很容易就會發生振蕩。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。由此延伸至穩壓電源電路，并接在反饋腳的電容是錯誤的。為了降低紋波，可以把電容與反饋電阻并聯，適當增大紋波的負反饋作用，抑制輸出紋波。