如何实现运算放大器测量系统的设计？

运算放大器的概念

运算放大器(常简称为“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

目前运算放大器主体部分已集成化, 故运算放大器也称为集成放大电路,采用半导体制造工艺将二极管,三级管,电阻等元件及它们之间的边线,集成在一块半导体基片上,构成一个具有特定功能的完整电路系统。

其实内部是一个高放大倍数的直接耦合放大电路,内部一般包括:输入级,中间级,输出级和偏置电路四部分.它们的关系可表示如下图:运算放大器的主要特点

运算放大器的主要特点是电压增益大,输入电阻大,输出电阻小。

运算放大器的分类

有两种分类方法,分别为按特性不同分和按结构不同分,具体内容可以用图表示如下:

运算放大器的特点

(1)集成运算放大器采用直接耦合放大电路,对直流信号和交流信号都有放大作用.

(2)为克服零漂现象,提高共模抑制比,输入端全部采用差分放大电路,并采用恒流源供电.

(3)采用复合管提高电路的增益.

(4)电路中的无源器件多用有源器件来代替.

(5)总结可得最重要的三个特性是:1,高输入阻抗;2,高电压增益;3,低输出阻抗.

运算放大器的主要技术指标

集成运放的性能指标较多,可主要常用的几种有:

(1)开环差模电路增益 (2)输入失调电压及失调电压温漂 (3)输入失调电流及失调电流温漂 (4)差模输入电阻 (5)输入电阻 (6)共模抑制比 (7)截止频率 (8)转换速率

运算放大器的功能

运放有相加、相 减、比例放大、积分微分等运算功能,运放可以构成的简单高通、低通滤波器。可以制成波形发生器。

运算放大器是差分输入、单端输出的极高增益放大器，常用于高精度模拟电路，因此必须精确测量其性能。但在开环测量中，其开环增益可能高达 107或更高，而拾取、杂散电流或塞贝克(热电偶)效应可能会在放大器输入端产生非常小的电压，这样误差将难以避免。

通过使用伺服环路，可以大大简化测量过程，强制放大器输入调零，使得待测放大器能够测量自身的误差。图 1 显示了一个运用该原理的多功能电路，它利用一个辅助运放作为积分器，来建立一个具有极高直流开环增益的稳定环路。开关为执行下面所述的各种测试提供了便利。

所示电路能够将大部分测量误差降至最低，支持精确测量大量直流和少量交流参数。附加的“辅助”运算放大器无需具有比待测运算放大器更好的性能，其直流开环增益最好能达到106或更高。如果待测器件(DUT)的失调电压可能超过几mV，则辅助运放应采用±15 V电源供电(如果DUT的输入失调电压可能超过 10 mV，则需要减小 99.9 kΩ电阻R3 的阻值。)

DUT 的电源电压+V 和–V 幅度相等、极性相反。总电源电压理所当然是 2 × V。该电路使用对称电源，即使“单电源”运放也是如此，因为系统的地以电源的中间电压为参考。

作为积分器的辅助放大器在直流时配置为开环(最高增益)，但其输入电阻和反馈电容将其带宽限制为几 Hz。这意味着，DUT 输出端的直流电压被辅助放大器以最高增益放大，并通过一个 1000:1 衰减器施加于 DUT 的同相输入端。负反馈将DUT 输出驱动至地电位。(事实上，实际电压是辅助放大器的失调电压，更精确地说是该失调电压加上辅助放大器的偏置电流在 100 kΩ 电阻上引起的压降，但它非常接近地电位，因此无关紧要，特别是考虑到测量期间此点的电压变化不大可能超过几 mV)。

测试点 TP1 上的电压是施加于 DUT 输入端的校正电压(与误差在幅度上相等)的 1000 倍，约为数十 mV 或更大，因此可以相当轻松地进行测量。

理想运算放大器的失调电压(Vos)为 0，即当两个输入端连在一起并保持中间电源电压时，输出电压同样为中间电源电压。现实中的运算放大器则具有几微伏到几毫伏不等的失调电压，因此必须将此范围内的电压施加于输入端，使输出处于中间电位。

给出了最基本测试——失调电压测量的配置。当 TP1 上的电压为 DUT 失调电压的 1000 倍时， DUT 输出电压处于地电位。

失调电压测量

理想运算放大器具有无限大的输入阻抗，无电流流入其输入端。但在现实中，会有少量“偏置”电流流入反相和同相输入端(分别为Ib–和Ib+)，它们会在高阻抗电路中引起显著的失调电压。根据运算放大器类型的不同，这种偏置电流可能为几fA( 1 fA = 10–15 A，每隔几微秒流过一个电子)至几nA;在某些超快速运算放大器中，甚至达到 1 - 2 μA。图 3 显示如何测量这些电流。

图 3. 失调和偏置电流测量

该电路与图 2 的失调电压电路基本相同，只是DUT输入端增加了两个串联电阻R6 和R7。这些电阻可以通过开关S1 和S2短路。当两个开关均闭合时，该电路与图 2 完全相同。当S1断开时，反相输入端的偏置电流流入Rs，电压差增加到失调电压上。通过测量TP1 的电压变化(=1000 Ib–×Rs)，可以计算出Ib–。同样，当S1 闭合且S2 断开时，可以测量Ib+。如果先在S1 和S2 均闭合时测量TP1 的电压，然后在S1 和S2 均断开时再次测量TP1 的电压，则通过该电压的变化可以测算出“输入失调电流” Ios，即Ib+与Ib–之差。 R6 和R7 的阻值取决于要测量的电流大小。

如果Ib的值在 5 pA左右，则会用到大电阻，使用该电路将非常困难，可能需要使用其它技术，牵涉到Ib给低泄漏电容(用于代替Rs)充电的速率。

当S1 和S2 闭合时， Ios仍会流入 100 Ω电阻，导致Vos误差，但在计算时通常可以忽略它，除非Ios足够大，产生的误差大于实测Vos的 1%。

运算放大器的开环直流增益可能非常高， 107以上的增益也并非罕见，但 250,000 到 2,000,000 的增益更为常见。直流增益的测量方法是通过S6 切换DUT输出端与 1 V基准电压之间的R5，迫使DUT的输出改变一定的量(图 4 中为 1 V，但如果器件采用足够大的电源供电，可以规定为 10 V)。如果R5处于+1 V，若要使辅助放大器的输入保持在 0 附近不变，DUT输出必须变为–1 V。

图 4. 直流增益测量

TP1 的电压变化衰减 1000:1 后输入 DUT，导致输出改变 1 V，由此很容易计算增益(= 1000 × 1 V/TP1)。

为了测量开环交流增益，需要在 DUT 输入端注入一个所需频率的小交流信号，并测量相应的输出信号(图 5 中的 TP2)。完成后，辅助放大器继续使 DUT 输出端的平均直流电平保持稳定。

图 5. 交流增益测量

图 5 中，交流信号通过 10,000:1 的衰减器施加于 DUT 输入端。对于开环增益可能接近直流值的低频测量，必须使用如此大的衰减值。(例如，在增益为 1,000,000 的频率时， 1 V rms 信号

会将 100 μV 施加于放大器输入端，放大器则试图提供 100 Vrms 输出，导致放大器饱和。)因此，交流测量的频率一般是几百 Hz 到开环增益降至 1 时的频率;在需要低频增益数据时，应非常小心地利用较低的输入幅度进行测量。所示的简单衰减器只能在 100 kHz 以下的频率工作，即使小心处理了杂散电容也不能超过该频率。如果涉及到更高的频率，则需要使用更复杂的电路。

运算放大器的共模抑制比(CMRR)指共模电压变化导致的失调电压视在变化与所施加的共模电压变化之比。在 DC 时，它一般在 80 dB 至 120 dB 之间，但在高频时会降低。

差分运算放大器(Differential Amplifier)就是一种能够放大两个输入信号差值的电子器件，可以在许多电路中起到重要的作用。

差分运算放大器的工作原理非常简单。它有两个输入端口，分别称为非反相输入端口和反相输入端口。当两个输入信号的电压不同时，差分运算放大器会将它们的差值放大，这也是它得名的原因。

差分运算放大器在电路中有广泛的应用。比如，在音频放大器中，差分运算放大器可以用来减少噪声，提高音质。在测量系统中，它可以用来放大微弱的信号，提高系统的灵敏度。在模拟信号处理电路中，它可以用来进行滤波、放大、采样等操作。

差分运算放大器的优势还不止于此。它还具有高增益、低噪声、高输入阻抗等特点，能够帮助工程师们处理复杂的信号。

那么差分运算放大器的应用场景有哪些呢?它可以用来进行信号放大。比如，当你需要将微弱的信号放大到足以被其他电路处理时，就可以使用差分运算放大器。它可以用来进行信号滤波。比如，当你需要在电路中去除某些频率的噪声时，就可以使用差分运算放大器来滤波。它还可以用来进行信号采样、比较等操作。

当然，差分运算放大器也有一些限制。比如，它对输入信号的共模电压有一定的要求，如果共模电压太高，就会影响放大器的工作。它还需要外部电路来进行电源滤波、反馈控制等操作，需要一些的知识来进行设计和调试。

总体来说，差分运算放大器是一种非常有用的电子器件，可以帮助工程师们处理复杂的信号。如果你需要进行信号处理，那么差分运算放大器一定是你不可或缺的好帮手!