運(yùn)算放大器可以說是模擬電子電路中最有用的單一器件。當(dāng)你在電路中應(yīng)用它們時(shí)，你必須知道它們的基礎(chǔ)和功能。

一、簡介

至于運(yùn)算放大器的功能，在電子電路中，它通常與反饋網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成一定的功能模塊，具有特殊的耦合電路和反饋。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)的加法、減法或微分、積分等，早期用于模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。現(xiàn)在它們廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)，被視為精密交直流放大器、有源濾波器、振蕩器和電壓比較器。

1.1 集成運(yùn)放

1.1.1 評(píng)價(jià)分析

集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的器件之一。在各種系統(tǒng)中，由于應(yīng)用要求不同，對(duì)運(yùn)算放大器的性能要求也不同。

在沒有特殊要求的地方，盡量使用通用的集成運(yùn)放，這樣可以降低成本，更換方便。在一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，應(yīng)使用盡可能多的運(yùn)算放大器集成電路。例如，LM324 和 LF347 總是將四個(gè)運(yùn)算放大器集成在一個(gè)電路中。

集成運(yùn)算放大器的評(píng)估取決于它們的整體性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來衡量集成運(yùn)算放大器的優(yōu)良程度，定義為： 式中SR為壓擺率，單位為V/ms。數(shù)值越大，運(yùn)算放大器的交流特性越好；放大器的輸入偏置電流為lib，單位為nA；VOS 是以 mV 為單位的輸入失調(diào)電壓。Iib 和 VOS 值越小，運(yùn)放的直流特性越好。因此，對(duì)于放大音頻、視頻等交流信號(hào)的電路，SR大的運(yùn)放比較好；對(duì)于處理弱直流信號(hào)的電路，精度較高的運(yùn)算放大器更適合（失調(diào)電流、失調(diào)電壓和溫度漂移都比較?。?/p>

選擇集成運(yùn)放時(shí)，除了優(yōu)值系數(shù)K外，還應(yīng)考慮一些因素。例如，信號(hào)源是電壓源還是電流源；負(fù)載的性質(zhì)，集成運(yùn)放的輸出電壓和電流是否滿足要求；集成運(yùn)算放大器的工作電壓范圍、功耗和體積。

圖 1：使用運(yùn)算放大器作為比較器

1.1.2 集成運(yùn)算放大器基礎(chǔ)知識(shí)

電源

集成運(yùn)放有兩個(gè)電源端+VCC和-VEE，供電方式不同。對(duì)于不同的供電方式，對(duì)輸入信號(hào)的要求是不同的。

1） 雙電源

運(yùn)算放大器大多以這種方式供電。相對(duì)于公共端（地）的正電源 （+ E） 和負(fù)電源 （-E） 分別連接到運(yùn)算放大器的 + VCC 和 -VEE 引腳。這樣，信號(hào)源就可以直接連接到運(yùn)放的輸入管腳，輸出電壓的幅值可以使正負(fù)對(duì)稱。

2） 單電源

單電源操作將運(yùn)算放大器的 -VEE 引腳接地。這時(shí)，為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，必須在運(yùn)放的輸入端加一個(gè)直流電位。

調(diào)零

由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出往往不等于零。為了提高電路的工作精度，需要補(bǔ)償由失調(diào)電壓和失調(diào)電流引起的誤差。這是運(yùn)算放大器的零設(shè)置。常用的歸零方法包括內(nèi)部歸零和外部歸零。對(duì)于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)算放大器，應(yīng)使用外部調(diào)零方法。

自振蕩

運(yùn)算放大器是一個(gè)高振幅的多級(jí)放大器。在深度負(fù)反饋的情況下，容易引起自激振蕩。為了使放大器穩(wěn)定工作，必須增加一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來消除自振蕩。此外，為防止電源內(nèi)阻引起低頻振蕩或高頻振蕩，應(yīng)連接電解電容（10mF）和高頻濾波電容（0.01mF～0.1mF）。

設(shè)備保護(hù)

集成運(yùn)放的安全保護(hù)分為三個(gè)方面：電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)。

1） 電源保護(hù)

電源的常見故障有極性反接和電壓跳變。對(duì)于性能較差的電源，在開關(guān)電源的瞬間往往會(huì)出現(xiàn)電壓過沖。保護(hù)措施如使用場效應(yīng)管電流源和穩(wěn)壓器鉗位保護(hù)。穩(wěn)壓器的電壓值大于集成運(yùn)放的正常工作電壓且小于集成運(yùn)放的最大允許工作電壓，F(xiàn)ET管的電流應(yīng)大于集成運(yùn)放的正常工作電流。

2） 輸入保護(hù)

如果集成運(yùn)放的輸入差模/共模電壓過高超出集成運(yùn)放的極限參數(shù)范圍，就會(huì)損壞。

3） 輸出保護(hù)

當(dāng)集成運(yùn)放過載或輸出短路時(shí)，如果沒有保護(hù)電路，運(yùn)放就會(huì)損壞。但是，一些集成運(yùn)算放大器具有內(nèi)部限流保護(hù)或短路保護(hù)，使用這些器件不需要額外的輸出保護(hù)。

圖 2. 反相運(yùn)算放大器電路

2.運(yùn)放參數(shù)

要在電路中更好地使用運(yùn)放，就必須對(duì)其內(nèi)部參數(shù)有一定的了解。以下是與運(yùn)放密切相關(guān)的技術(shù)參數(shù)：

單位增益帶寬

定義：在運(yùn)放閉環(huán)增益為1倍的條件下，向運(yùn)放輸入端輸入一個(gè)等幅正弦小信號(hào)，從運(yùn)放輸出端測(cè)得的閉環(huán)電壓增益運(yùn)放降低3dB（或相當(dāng)于運(yùn)放輸入信號(hào)的0.707倍），即輸出信號(hào)降低-3dB的頻率為單位增益帶寬。這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。對(duì)于正弦小信號(hào)放大，單位增益帶寬等于輸入信號(hào)頻率與該頻率下最大增益的乘積。也就是說，當(dāng)你知道要處理的信號(hào)的頻率和增益后，就可以計(jì)算出單位增益帶寬（增益帶寬=放大*信號(hào)頻率）來選擇合適的運(yùn)放。

對(duì)于小信號(hào)，單位增益帶寬也稱為增益帶寬積，可以粗略地表示運(yùn)放對(duì)信號(hào)頻率的處理能力。例如某運(yùn)放的增益帶寬為1MHz，如果實(shí)際閉環(huán)增益為100，那么理論上處理小信號(hào)的最大頻率為1MHz/100=10KHz。

對(duì)于大信號(hào)的帶寬，即功率帶寬，擺率SR的影響是主要因素，單位為V/uS。在這種情況下，由FPBW = SR / 2πVp-p計(jì)算得到的功率帶寬，即在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須同時(shí)滿足增益帶寬和功率帶寬。

對(duì)于直流信號(hào)，一般不考慮帶寬問題，主要考慮精度和干擾。

當(dāng)放大器的放大倍數(shù)為n倍時(shí)，并不意味著所有輸入信號(hào)都被放大了n倍。當(dāng)信號(hào)頻率增加時(shí)，放大能力下降。

開放帶寬

開環(huán)帶寬定義為：在運(yùn)放的輸入端輸入一個(gè)恒定幅度的正弦小信號(hào)，開環(huán)電壓增益從運(yùn)放輸出降低3dB至直流增益為運(yùn)算放大器。這用于非常小的信號(hào)處理。

轉(zhuǎn)換速率 SR

在運(yùn)算放大器連接成閉環(huán)的情況下，一個(gè)大信號(hào)（包括階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)算放大器的輸入端，從稱為 SR 的運(yùn)算放大器的輸出端測(cè)量運(yùn)算放大器的輸出上升率。因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入級(jí)在轉(zhuǎn)換過程中是切換的，所以運(yùn)算放大器的反饋回路不起作用，即轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無關(guān)。壓擺率是大信號(hào)處理的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。一般運(yùn)放的壓擺率SR《=10V/μs，高速運(yùn)放的壓擺率SR》10V/μs。目前高速運(yùn)放的最高轉(zhuǎn)換率SR達(dá)到6000V/μs。SR越大，運(yùn)算放大器對(duì)高速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)越好。信號(hào)幅度越大，頻率越高，SR越大。

全功率帶寬

在額定負(fù)載下，在運(yùn)放閉環(huán)增益為1倍的條件下，向運(yùn)放的輸入端輸入一個(gè)等幅正弦大信號(hào)，使運(yùn)放的輸出頻率達(dá)到最大（允許一定的失真）信號(hào)。該頻率受運(yùn)算放大器壓擺率 SR 的限制。大約，全功率帶寬由公式 SR / 2πVop 計(jì)算（Vop 是運(yùn)算放大器的峰值輸出幅度）。它是大信號(hào)處理中運(yùn)放選擇的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

設(shè)定時(shí)間

在額定負(fù)載下，在運(yùn)放閉環(huán)增益為1倍的條件下，運(yùn)放輸入端輸入一個(gè)階躍大信號(hào)使輸出從0增加到給定值所需的時(shí)間。因?yàn)槭请A躍大信號(hào)輸入，輸出信號(hào)達(dá)到給定值后會(huì)出現(xiàn)一定的抖動(dòng)。這個(gè)抖動(dòng)時(shí)間稱為穩(wěn)定時(shí)間。此時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間+上升時(shí)間=穩(wěn)定時(shí)間。對(duì)于不同的輸出精度，穩(wěn)定時(shí)間有很大的不同。精度越高，穩(wěn)定時(shí)間越長。

等效輸入噪聲電壓

它是指在具有良好屏蔽和無信號(hào)輸入的運(yùn)放輸出端產(chǎn)生的任何交流隨機(jī)干擾電壓。當(dāng)這個(gè)噪聲電壓轉(zhuǎn)換到運(yùn)放的輸入時(shí)，稱為運(yùn)放的輸入噪聲電壓（有時(shí)用噪聲電流表示）。對(duì)于寬帶噪聲，普通運(yùn)放的輸入噪聲電壓有效值約為10～20μV。該值通常對(duì)應(yīng)于某個(gè)頻帶。

輸出阻抗

它是指信號(hào)電壓加到工作在線性區(qū)的運(yùn)放輸出時(shí)，電壓變化與相應(yīng)電流變化的比值。在低頻時(shí)，它僅指運(yùn)算放大器的輸出電阻。

共模輸入電阻

指運(yùn)放的兩個(gè)輸入端輸入相同信號(hào)時(shí)，共模輸入電壓的變化與輸入電流相應(yīng)變化的比值。在低頻時(shí)，它表現(xiàn)為共模電阻。一般運(yùn)放的共模輸入阻抗遠(yuǎn)高于差模輸入阻抗，典型值在108Ω以上。

共模抑制比

與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓增益與共模電壓增益的比值，通常以分貝表示。它是衡量輸入級(jí)差分放大器的對(duì)稱程度和集成運(yùn)放抑制共模干擾信號(hào)能力的參數(shù)。值越大越好。

電源抑制比

電源電壓抑制比定義為運(yùn)算放大器的輸入偏移電壓與線性區(qū)域內(nèi)電源電壓的變化率。電源電壓抑制比反映了電源變化對(duì)運(yùn)算放大器輸出的影響。目前，電源電壓抑制比僅為80dB左右。因此，當(dāng)用于直流信號(hào)或模擬放大的小信號(hào)處理時(shí)，需要仔細(xì)設(shè)置運(yùn)算放大器的電源。當(dāng)然，具有高共模抑制比的運(yùn)算放大器可以補(bǔ)償部分電源電壓抑制比。此外，當(dāng)使用雙電源時(shí)，正極和負(fù)極電源的電源電壓抑制比可能不同。

差模輸入電阻

是指當(dāng)運(yùn)算放大器在線性區(qū)域中工作時(shí)，兩個(gè)輸入端子處的電壓變化與輸入端子處的相應(yīng)電流變化的比率。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，僅指低頻時(shí)的輸入電阻。一般產(chǎn)品規(guī)格僅給出輸入電阻。使用雙極晶體管作為輸入級(jí)的運(yùn)算放大器的輸入電阻不大于10MΩ；作為場效應(yīng)晶體管輸入級(jí)的運(yùn)放的輸入電阻通常大于109Ω。

輸入偏移電壓

當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓除以電壓增益加上負(fù)號(hào)，負(fù)號(hào)是轉(zhuǎn)換為輸入的偏移電壓。當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，它是施加在輸入端的補(bǔ)償電壓。輸入偏移電壓實(shí)際上反映了運(yùn)算放大器內(nèi)部的電路對(duì)稱性。對(duì)稱性越好，輸入偏移電壓越小。輸入偏置電壓是運(yùn)算放大器的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，尤其是當(dāng)它是精密運(yùn)算放大器或用于直流放大時(shí)。

輸入失調(diào)電壓與制造工藝有一定的關(guān)系。當(dāng)運(yùn)算放大器使用雙極工藝（即標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）時(shí)，它在 ± 1 和 10 mV 之間。如果使用場效應(yīng)管作為輸入級(jí)，會(huì)更大。對(duì)于精密運(yùn)算放大器，一般在1mV以下。輸入失調(diào)電壓越小，直流放大時(shí)的中間零偏越小，越容易處理。因此，對(duì)于精密運(yùn)放來說，它是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。

輸入失調(diào)電壓漂移

在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，它是輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化與溫度變化的比值。它實(shí)際上是對(duì)輸入失調(diào)電壓的一種補(bǔ)充，便于計(jì)算放大器電路在給定工作范圍內(nèi)因溫度變化而產(chǎn)生的漂移。它是衡量運(yùn)放溫度影響的重要指標(biāo)。一般情況下約為（10~30）uV/C（攝氏度），高質(zhì)量可《0.5uV/C。

輸入失調(diào)電流

定義為運(yùn)放輸出直流電壓為零時(shí)差分輸入級(jí)差分對(duì)的基極電流之差。用于表征差分輸入電流的不對(duì)稱程度。對(duì)稱性越好，輸入失調(diào)電流越小。輸入失調(diào)電流對(duì)于運(yùn)算放大器來說是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，特別是對(duì)于精密運(yùn)算放大器或直流放大器。輸入失調(diào)電流約為輸入偏置電流的十分之一到十分之一。它對(duì)小信號(hào)精度放大或直流放大有重要影響，尤其是在運(yùn)放外使用大電阻時(shí)。輸入失調(diào)電流的影響可能超過輸入失調(diào)電壓對(duì)精度的影響。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時(shí)的中間零偏越小，越容易處理。因此，對(duì)于精密運(yùn)放來說，它是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。

輸入失調(diào)電流溫漂

在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量的比值。它是指在規(guī)定工作范圍內(nèi)的溫度系數(shù)，也是衡量溫度對(duì)運(yùn)放影響的重要指標(biāo)。通常在（1-50）nA/C左右，高質(zhì)量的在幾pA/C左右。這個(gè)值只在精密運(yùn)放參數(shù)中給出，用于直流信號(hào)處理或較小時(shí)需要注意信號(hào)處理。

輸入偏置電流

定義為運(yùn)放輸出直流電壓為零時(shí)兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，即運(yùn)放工作在輸入端的平均電流。線性區(qū)域。輸入偏置電流對(duì)需要輸入阻抗的地方影響較大，如高阻抗信號(hào)放大、積分電路等。輸入偏置電流與制造工藝有一定的關(guān)系。如果使用場效應(yīng)管作為輸入級(jí)，輸入偏置電流一般低于1nA。它總是用來測(cè)量差分放大器對(duì)的輸入電流。

最大差模輸入電壓

是運(yùn)放的兩個(gè)輸入端能承受的電壓。超過時(shí)，差動(dòng)管會(huì)發(fā)生反向擊穿。平面工藝制成的NPN管值在5V左右，水平PNP管的Vidmax可以達(dá)到30V以上。

最大共模輸入電壓

它是運(yùn)算放大器正常工作條件下允許的共模輸入電壓范圍。當(dāng)輸入差分對(duì)飽和時(shí)，放大器失去共模抑制能力。在有干擾的情況下，在電路的使用中需要注意這個(gè)問題。

輸出峰峰值電壓

工作在線性區(qū)，在規(guī)定負(fù)載下，運(yùn)放在大電源供電時(shí)，是運(yùn)放所能輸出的最大電壓幅值。除低壓運(yùn)放外，一般運(yùn)放的輸出峰峰值電壓大于±10V，但小于電源電壓。這是由于輸出級(jí)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代低壓運(yùn)算放大器的輸出級(jí)都經(jīng)過特殊處理。輸出峰峰值電壓接近電源電壓的50mV以內(nèi)，因此稱為滿量程輸出運(yùn)放，也稱為軌到軌運(yùn)放。需要注意的是，運(yùn)放的輸出峰峰值電壓與負(fù)載有關(guān)，不同負(fù)載取值不同；運(yùn)放的正負(fù)輸出電壓擺幅不一定相同。

圖 3. 運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓

三、申請(qǐng)事項(xiàng)

1）單電源運(yùn)放必須直流偏置，否則無法正常工作。對(duì)于虛地設(shè)計(jì)，除了直流電位外，還要注意穩(wěn)壓（最好使用參考電壓芯片），還要保證低阻抗交流去耦，即低頻去耦并聯(lián)至少 10uF 和 0.1uF 以下的高頻去耦。

2） 同相放大器的輸入必須作為直流路徑偏置到地。

3）普通運(yùn)放不能直接驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載。如果需要，必須使用電容進(jìn)行相位補(bǔ)償或輸出串聯(lián)電阻，然后連接負(fù)載。

4）對(duì)于外部接口的運(yùn)放輸入，必須在正負(fù)輸入引腳上并聯(lián)一只TVS管，防止運(yùn)放因輸入電壓信號(hào)過大而反極性，形成寄生假信號(hào)輸出。

5）對(duì)于增益大于10倍的放大電路，要注意控制運(yùn)放的帶寬增益，防止器件自激振蕩。

6）功率放大器的輸出需要通過開關(guān)二極管對(duì)電源和地進(jìn)行保護(hù)，特別是在連接感性負(fù)載時(shí)。

7）當(dāng)使用多個(gè)運(yùn)放處理多個(gè)信號(hào)時(shí)，必須注意防止其中一個(gè)信號(hào)的瞬時(shí)變化對(duì)另一個(gè)信號(hào)造成串?dāng)_。因此，建議不要使用一個(gè)運(yùn)放來處理多個(gè)信號(hào)。

8） 大部分運(yùn)放芯片都是ESD敏感器件，使用時(shí)要多加注意。

9）未使用的運(yùn)放（多個(gè)運(yùn)放中的多余通道）的引腳不應(yīng)懸空，并接地或連接正負(fù)電源。建議將其連接為跟隨器（輸出連接到反向輸入），非反相輸入連接到電源軌之間的電位（雙電源系統(tǒng)的接地或電路中任何合適的點(diǎn)） 。 它們也可以用作緩沖放大器，并將它們添加到系統(tǒng)中的一個(gè)小影響位置。

圖 4. 運(yùn)算放大器 741

審核編輯：郭婷