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[导读]输入级一般是由BJT(双极性晶体管,电流控制器件)、JFET(结型场效应晶体管,电压控制器件)或MOSFET(氧化物半导体场效应晶体管)组成的差动放大电路,主要是利用对称特性提高共模抑制比,它的两个输人端构成整个电路的反相输入端和同相输入端;电压放大级的主要作用是提高电压增益,它可由一级或多级放大电路组成;输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器构成,以降低输出电阻,提高带负载能力;偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节。如电平移动电路,过载保护电路以及高频补偿电路。

运算放大器(Integrated Operational Amplifier)简称集成运放,是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。


运放内部结构

输入级一般是由BJT(双极性晶体管,电流控制器件)、JFET(结型场效应晶体管,电压控制器件)或MOSFET(氧化物半导体场效应晶体管)组成的差动放大电路,主要是利用对称特性提高共模抑制比,它的两个输人端构成整个电路的反相输入端和同相输入端;电压放大级的主要作用是提高电压增益,它可由一级或多级放大电路组成;输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器构成,以降低输出电阻,提高带负载能力;偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节。如电平移动电路,过载保护电路以及高频补偿电路。


运放分类

01

按工作原理

① 电压放大型

实现电压放大,输出回路等效成电压控制的电压源。

② 电流放大型

实现电流放大,输出回路等效成电流控制的电流源。

③ 跨导放大型

将输入电压转化成输出电流,输出回路等效成电压控制的电流源。

④ 互阻放大型

将输入电流转化成输出电压,输出回路等效成电流控制的电压源。

02

按性能

① 高阻型

特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>(109~1012)W,IIB为几到几十PA。适用于测量放大电路、信号发生电路、采样——保持电路。

② 高速型

特点是单位增益带宽、转换速率SR高。适用于A/D、D/A转换器、锁相环电路、视频放大电路。

③ 高精度型

特点是低失调电压、低温漂、低噪声、高增益。适用于微弱信号的精密测量,例如高精仪器。

④ 低功耗型

特点是静态功耗低、工作电压低。适用于便携式仪器、空间技术、工业及军事的遥感遥测领域。

⑤ 通用型

特点是价格低廉,性能指标要求一般都满足。适用于低频信号,简单的信号处理。


运放参数指标

01

直流指标

① 输入失调电压VIO及温漂αVIO

集成运放输出端电压为零时,两个输入端之间所加的补偿电压。内部电路对称性越好,输入失调电压越小,运放的性能更好;αVIO温漂是输入失调电压的变化与温度变化的比值,一般运放温漂在±10~20μV/℃之间,精密运放的温漂小于±1μV/℃。

② 输入偏置电流IIB

当运放的输出直流电压为零时,其两输入端的偏置电流平均值,通常IIB越小,IIO也就越小。与制造工艺有关,双极型晶体管一般为80~500nA,场效应管一般为1nA。

③ 输入失调电流IIO及温漂dVIO

当运放的输出直流电压为零时,其两输入端偏置电流的差值。内部电路对称性越好,输入失调电流越小,双极型晶体管一般为20~200nA,场效应管一般小于1nA;输入失调电流温漂(TCIOS)该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/°C为单位表示。

④ 开环差模增益Aod

集成运放无外加反馈时的放大倍数称为开环差模增益,分贝数为20 lg| Aod |一般运放数值在80~120dB。

⑤ 共模抑制比KCMR

运放工作在线性区时,差模增益与共模增益的比值,20 lg KCMR。

⑥ 电源抑制比

运放工作在线性区时运放输入失调电压随电源电压的变化比值。

⑦ 最大共模输入电压UIcmax

正常放大差模信号的情况下允许输入的最大共模信号,一般定义为当共模抑制比下降6dB 是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。

⑧ 最大差模输入电压UIdmax

运放两输入端允许加的最大输入电压,当运放两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入电压时,会使内部PN结击穿,造成运放输入级损坏。

02

交流指标‍

① 开环带宽fH

开环带宽fH是使直流开环差模增益Aod下降3dB(直流增益的0.707)的信号频率。实际值为GBW=Gain*f。

② 单位增益带宽fc

表示差模电压放大倍数Aod下降到0dB(直流开环差模增益Aod=1)的频率。一般在1MHz左右。

③ 转换速率(又称压摆率)SR

SR是在大信号作用下输出电压在单位时间变化量的最大值,也表示运算放大器对突变信号的适应能力。要求信号幅值越大、频率越高的情况下,压摆率SR越大。实际值为2*π*f*Vin*Gain。

④ 共模输入阻抗

该参数表示运算放大器工作在线性区时,输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。低频时,表现为共模电阻,典型值在108欧以上。

⑤ 差模输入阻抗(也称为输入阻抗)rid

该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比,电压的变化导致电流的变化。差模输入阻抗越大,信号索取电流越小。

⑥ 输出阻抗

该参数是指运算放大器工作在线性区时,输出端的内部等效小信号阻抗。

⑦ 全功率带宽BW

在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下(直流开环差模增益Aod=1),将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端,使运放的幅度最大时的频率。全功率带宽=转换速率/2πVop(Vop是运放的峰值输出幅度)。

⑧ 静态功耗

表示无信号条件下运放的耗电程度。当电源电压为±15V时,静态功耗双极型晶体管一般为50~100mW,场效应管一般为1mW。

⑨ 建立时间

在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下(直流开环差模增益Aod=1),将一个阶跃大信号输入到运放的输入端,使运放输出由0增加到某一给定值的所需要的时间。

⑩ 输入电压噪声密度(eN)、输入电流噪声密度(iN)

噪声分量。


运放计算思想

虚短与虚断是分析运放的基本点。(引入负反馈)

01

虚短

虚短指在理想情况下,两个输入端的电位相等,就好像两个输入端短接在一起,但事实上并没有短接,称为“虚短”。虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。集成运放的线性应用时,可近似地认为uN-uP=0,uN=uP时,即反相与同相输入端之间相当于短路,故称虚假短路,简称“虚短”。

02

虚断

虚断指在理想情况下,流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大,就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开路,称为“虚断”。当两个输入端的输入电流为零,即iN=iP=0时,可认为反相与同相输入端之间相当于断路,称为虚假断路,简称“虚断”。


运放保护措施

集成运放的安全保护有三个方面:电源保护、输入保护和输出保护。

01

电源保护

电源的常见故障是电源极性接反和电压跳变。电源反接保护和电源电压突变保护。

02

输入保护

集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高(超出该集成运放的极限参数范围),集成运放也会损坏。

03

输出保护

集成运放过载或输出端短路时,若没有保护电路,该运放就会损坏。有些集成运放内部设置了限流保护或短路保护 。


运算放大器六条军规

运算放大器作为最通用的模拟器件,广泛用于信号变换调理、ADC采样前端、电源电路等场合中。虽然运放外围电路简单,不过在使用过程中还是有很多需要注意的地方。

01

注意输入电压是否超限

以ADI器件为例,ADI的数据表中的输入电气特性可以看到在电源电压±15V的条件下,输入电压的范围是±13.5V,如果输入电压超出范围,那么运放就会工作不正常,出现一些意料不到的情况。有一些运放标注的不是输入电压范围,而是共模输入电压范围,如TI的TLC2272在单电源+5V的条件下,共模输入范围是0-3.5V.其实由于运放正常工作时,同相端和反相端输入电压基本是一致的(虚短虚断),所以“输入电压范围”与“共模输入电压范围”都是一样的意思。

02

不要在运放输出直接并接电容

在直流信号放大电路中,有时候为了降低噪声,直接在运放输出并接去耦电容。虽然放大的是直流信号,但是这样做是很不安全的。当有一个阶跃信号输入或者上电瞬间,运放输出电流会比较大,而且电容会改变环路的相位特性,导致电路自激振荡,这是我们不愿意看到的。

正确的去耦电容应该要组成RC电路,就是在运放的输出端先串入一个电阻,然后再并接去耦电容。这样做可以大大削减运放输出瞬间电流,也不会影响环路的相位特性,可以避免振荡。

03

不要在放大电路反馈回路并接电容

同样是一个用于直流信号放大的电路,为了去耦,不小心把电容并接到了反馈回路,反馈信号的相位发生了改变,很容易就会发生振荡。所以,在放大电路中,反馈回路不能加入任何影响信号相位的电路。由此延伸至稳压电源电路,并接在反馈脚的电容是错误的。为了降低纹波,可以把电容与反馈电阻并联,适当增大纹波的负反馈作用,抑制输出纹波。

04

注意运放的输出摆幅

任何运放都不可能是理想运放,输出电压都不可能达到电源电压,一般基于MOS的运放都是轨对轨运放,在空载情况下输出可以达到电源电压,但是输出都会带一定的负载,负载越大,输出降落越多。

05

注意反馈回路的Layout

反馈回路的元器件必须要靠近运放,而且PCB走线要尽量短,同时要尽量避开数字信号、晶振等干扰源。反馈回路的布局布线不合理,则会容易引入噪声,严重会导致自激振荡。

06

要重视电源滤波

运放的电源滤波不容忽视,电源的好坏直接影响输出。特别是对于高速运放,电源纹波对运放输出干扰很大,弄不好就会变成自激振荡。所以最好的运放滤波是在运放的电源脚旁边加一个0.1uF的去耦电容和一个几十uF的钽电容,或者再串接一个小电感或者磁珠,效果会更好。

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