运算放大器的概念 如何实现运算放大器测量系统的设计？

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。

集成运算放大器的长期不稳定性与器件的低频噪声密切相关,本文提出一种新型的集成运放低频噪声测量系统.首先建立了运算放大器的噪声模型,然后对测试系统的各个模块电路进行设计和仿真,最后对该集成运放的低频噪声进行测量及数据采集.实验结果表明,该测量系统能够实现集成运放低频噪声时域时间序列和0～100kHz频域内频谱密度数据的测量和采集,且与传统的由交流电源供电的测量方法比较,背景噪声减少60%,为集成运放的故障诊断提供了准确的评估方法.

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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。

为了应求对传感器信号放大不断增加的需求，从1µA以下的低功耗到20MHz的高速度，我们都备有一系列的特色产品。 我们还提供具有高抗电磁干扰能力的产品，以减少由智能手机等通信设备引起的故障;以及具有耐压性能的产品，以防止电流从电源反向流入输入端;还有高速产品，可以驱动1000pF以上的电容性负载(Enhanced C-Drive TM)。 本公司有多种运算放大器产品可供选择，以满足各种传感器的应用。

运算放大器是具有差分输入和单端输出的极高增益放大器。它们通常用于高精度模拟电路，因此准确测量其性能非常重要。但在开环测量中，它们的开环增益很高，可能高达107或者更多，使得放大器输入端由于拾音、杂散电流或塞贝克(热电偶)效应而导致的非常小的电压很难避免误差。

通过使用伺服环路在放大器输入端强制零点，可以大大简化测量过程，从而使被测放大器基本上可以测量自己的误差。图1所示为采用该原理的通用电路，采用辅助运算放大器作为积分器，以建立具有极高直流开环增益的稳定环路。这些开关有助于执行以下简化图中所述的各种测试。图1.基本运算放大器测量电路。

图1所示电路将大部分测量误差降至最低，并允许精确测量大量直流和一些交流参数。额外的“辅助”运算放大器不需要比被测运算放大器更好的性能。如果直流开环增益为100万或更多，则很有帮助;如果被测器件(DUT)的失调可能超过几mV，则辅助运算放大器应采用±15 V电源供电(如果DUT的输入失调可能超过10 mV，则需要减小99.9 kΩ电阻R3)。

DUT的电源电压+V和–V幅度相等，符号相反。当然，总电源电压为2 × V.即使采用本电路的“单电源”运算放大器，也使用对称电源，因为系统接地基准电压源是电源的中点。

作为积分器，辅助放大器配置为直流开环(全增益)，但其输入电阻和反馈电容将其带宽限制在几Hz。这意味着DUT输出端的直流电压被辅助放大器的全增益放大，并通过1000：1衰减器施加到DUT的同相输入端。负反馈迫使 DUT 的输出变为地电位。(事实上，实际电压是辅助放大器的失调电压——或者，如果我们真的要一丝不苟的话，这个失调加上100 kΩ电阻中由于辅助放大器的偏置电流而产生的压降——但这离地足够近，并不重要，特别是因为测量期间该点电压的变化不太可能超过几微伏)。

测试点TP1上的电压是施加到DUT输入端的校正电压(误差幅度相等)的1000倍。这将是几十mV或更多，因此很容易测量。

理想运算放大器的失调电压为零(V操作系统);也就是说，如果两个输入连接在一起并保持在电源之间的中间电压，则输出电压也应位于电源之间的中间位置。在现实生活中，运算放大器的失调范围从几微伏到几毫伏不等，因此必须向输入施加此范围内的电压，以使输出达到中间电位。

图2显示了最基本测试的配置——失调测量。当 TP1 上的电压是其偏移的 1000 倍时，DUT 输出电压处于地电位。图2.偏移测量。

理想的运算放大器具有无限输入阻抗，输入中没有电流流动。实际上，小的“偏置”电流在反相和同相输入(Ib–和我B+分别);它们会在高阻抗电路中引起明显的失调。根据运算放大器类型，它们的范围可以从几飞安(1 fA = 10–15A——每几微秒一个电子)到几纳安，或者甚至在一些非常快的运算放大器中——一到两微安。图3显示了如何测量这些电流。

图3.失调和偏置电流测量。

该电路与图2的失调电路相同，只是增加了两个电阻R6和R7，与DUT输入串联。这些电阻可通过开关 S1 和 S2 短路。两个开关闭合时，电路与图2相同。当S1开路时，来自反相输入的偏置电流以Rs为单位流动，电压差增加到失调。通过测量TP1(=1000我b–×Rs)，我们可以计算我b–;同样，通过关闭 S1 并打开 S2，我们可以测量我B+.如果在TP1处测量电压，S1和S2均闭合，然后均开路，则“输入失调电流”I操作系统，我之间的区别B+和我b–，由变化来衡量。使用的R6和R7的值将取决于要测量的电流。

对于 I 的值b在5 pA或更低的量级下，由于涉及大电阻，使用该电路变得非常困难;可能需要其他技术，可能涉及Ib对低漏电电容(取代R)充电的速率s).

当 S1 和 S2 关闭时，I操作系统在 100 Ω电阻中仍然流动，并在 V 中引入误差操作系统，但除非我操作系统大到足以产生大于测量 V 1% 的误差操作系统在此计算中通常可以忽略它。

运算放大器的开环直流增益可能非常高;增益大于 107不是未知的，但 250，000 到 2，000，000 之间的值更常见。直流增益的测量方法是，通过在DUT输出和S6的1 V基准电压源之间切换R5，强制DUT的输出移动已知量(图4中为1 V，但如果器件在足够大的电源上运行，则为10 V)。如果R5处于+1 V，则如果辅助放大器的输入要在零附近保持不变，则DUT输出必须移至–1 V。图4.直流增益测量。

TP1 处的电压变化衰减为 1000：1，是 DUT 的输入，导致输出发生 1V 变化。由此计算增益很简单(= 1000 × 1 V/TP1)。

为了测量开环交流增益，需要在DUT输入端注入所需频率的小交流信号，并在其输出端测量产生的信号(图5中的TP2)。在此过程中，辅助放大器继续稳定 DUT 输出端的平均直流电平。图5.交流增益测量。

在图5中，交流信号通过10，000：1衰减器施加到DUT输入端。低频测量需要这个大值，其中开环增益可能接近直流值。(例如，在增益为1，000，000的频率下，1 V rms信号将在放大器输入端施加100 μV，这将在放大器寻求提供100 V rms输出时使放大器饱和)。因此，交流测量通常在几百Hz到开环增益下降到单位的频率下进行，如果需要低频增益数据，则使用较低的输入幅度非常小心。所示的简单衰减器只能在高达100 kHz左右的频率下工作，即使杂散电容非常小心;在更高的频率下，需要更复杂的电路。