Selection Principle and Applied Technologies of the Operational Amplifiers

LI Xin, ZHENG Hongjun

(School of Physics Science and Information Technology, Liaocheng University,
Liaocheng 252059, China)

　　Key words: OA(operation amplifier); selection principle; applied technology

1運(yùn)放的選擇策略
　　(1)設(shè)計(jì)目標(biāo)的綜合考慮
　　設(shè)計(jì)者必須綜合考慮設(shè)計(jì)目標(biāo)的信號(hào)電平，閉環(huán)增益，要求精度，所需帶寬，電路阻抗，環(huán)境條件及其他因素，并把設(shè)計(jì)要求的性能轉(zhuǎn)換成運(yùn)放的參數(shù)，建立各個(gè)參數(shù)的取值以及它們隨溫度、時(shí)間、電流電壓等變化的范圍。
　　(2)深刻理解電路手冊(cè)中特性指標(biāo)的意義
　　不同的制造商可能給出不同的特性指標(biāo)，這些指標(biāo)可能是通過(guò)不同的測(cè)量技術(shù)獲得的，這就給運(yùn)放的選擇帶來(lái)了困難。為避免這些困難，設(shè)計(jì)者必須深刻理解電路手冊(cè)中特性指標(biāo)的意義，同時(shí)必須了解這些參數(shù)是如何測(cè)得的，然后把這些特性指標(biāo)轉(zhuǎn)換成對(duì)設(shè)計(jì)要求有意義的參數(shù)。
　　(3)選擇具有最優(yōu)性能價(jià)格比的運(yùn)放
　　設(shè)計(jì)者必須把設(shè)計(jì)目標(biāo)的性能、所選擇器件的性能指標(biāo)與價(jià)格聯(lián)系起來(lái)，以最低的價(jià)格獲得符合設(shè)計(jì)目標(biāo)提出的物理、電氣和環(huán)境要求。

　　不同類型運(yùn)放組成近百種運(yùn)放系列，其中一部分是通用的，稱為通用型運(yùn)放：另一部分為特殊應(yīng)用提供優(yōu)化特性，稱為專用型運(yùn)放。通用型運(yùn)放的各項(xiàng)性能指標(biāo)都比一般的分立元件直接耦合放大電路有所改善，大致能夠滿足中等精度的要求，一般情況下無(wú)須調(diào)零即可使用。專用型運(yùn)放為了適應(yīng)特殊應(yīng)用場(chǎng)合而具有優(yōu)化特性。根據(jù)專用型運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)，運(yùn)算放大器可分為：低噪聲運(yùn)放、精密運(yùn)放、高速運(yùn)放、低偏置電流運(yùn)放、低漂移運(yùn)放、低功耗/微功耗運(yùn)放等。現(xiàn)在說(shuō)明幾種不同類型的專用型運(yùn)放及其應(yīng)用技術(shù)。
2.1低噪聲運(yùn)放及其典型應(yīng)用技術(shù)
　　以AD797為例。它是低噪聲、場(chǎng)效應(yīng)管輸入(FET)運(yùn)算放大器，最大輸入電壓噪聲最大值50nVpp。
　　AD797組成的低噪聲電荷放大器見(jiàn)圖1。此時(shí)放大作用取決于運(yùn)放輸入端電荷的保持因素，即要求電容CS上的電荷能被傳送到電容CF，形成輸出電壓ΔQ/CF。在放大器輸出端呈現(xiàn)的電壓噪聲等于放大器輸入電壓噪聲乘以電路的噪聲增益(1+(CS／CF))。

2.2精密運(yùn)放及其典型應(yīng)用技術(shù)
　　以AD517為例。它是一種單片高精密運(yùn)算放大器，具有激光調(diào)整的低失調(diào)電壓、低漂移等精密特性，具有內(nèi)部補(bǔ)償和短路保護(hù)，能防止自鎖，具有超低偏置電流電路，偏置電流最大值1nA。管殼單獨(dú)引出(8腳)，使得管殼能單獨(dú)接到和輸入端等電位的點(diǎn)上，從而使管殼上雜散漏電減至最小；能屏蔽輸入電路，使其不受外部噪聲和電源瞬變的影響。
　　AD517組成微電流電壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用技術(shù)如圖2所示，該電路具有較高的靈敏度，缺點(diǎn)是失調(diào)電壓漂移和噪聲等輸入誤差會(huì)被增益放大，影響儀器性能，但AD517的精密特性可以彌補(bǔ)這個(gè)缺憾。由于AD517具有超低輸入電流的性能，必須采用防護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方法是在包裹高阻抗信號(hào)線的絕緣材料外部加一個(gè)低阻抗自舉電位，這個(gè)自舉電位與高阻抗線的電位保持相等，使絕緣體兩側(cè)沒(méi)有壓降，也就沒(méi)有漏電。防護(hù)體可作為屏蔽層減少噪聲拾取，并具有減少輸入線有效電容的附加功能。AD517的管殼單獨(dú)引到管腳8，使管殼也能接到防護(hù)電位上，從而真正消除了封裝絕緣材料上的電位漏電路徑，為敏感電路提供噪聲屏蔽。該電路給出了典型的反相防護(hù)連接圖，如果管腳8不接防護(hù)端，則應(yīng)將它接地或接電源以減少噪聲。在許多儀表測(cè)量的場(chǎng)合，會(huì)遇到從高電壓源測(cè)量微弱電流的問(wèn)題，在該類應(yīng)用中，很有必要對(duì)輸入端采取一定的保護(hù)。AD517具有不同于其他器件的地方，故障形式是由于電流過(guò)大導(dǎo)致器件過(guò)熱而不是電壓擊穿，只要在受影響的輸入端串聯(lián)一個(gè)電阻即可解決問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，所設(shè)計(jì)儀器儀表的電路板安裝完畢后，通常要用高純度酒精徹底清洗，然后用消除電離的水漂清，再用氮收干，這樣可保持漏電最小，性能最佳。

　　以AD829為例。它是采用互補(bǔ)雙極型(CB)制造工藝的單片視頻運(yùn)算放大器，具有優(yōu)異的直流特性，最大輸入失調(diào)電壓1mV，輸入失調(diào)電壓漂移0.3μV/℃，
　
常規(guī)補(bǔ)償；具有優(yōu)良的建立時(shí)間特性(至0.1％為90ns)：反相端驅(qū)動(dòng)50Ω或75Ω同軸線時(shí)，AD829在3.58MHz和4.43MHz的相位不均勻性為0.04°，增益不均勻性為0.02％。
　　視頻放大的典型應(yīng)用如圖3所示，此為同相輸入，可以通過(guò)改變接到管腳2的兩個(gè)電阻RF和R1阻值的大小來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)電路的增益也可接成反相輸入。管腳7接正電源，管腳4接負(fù)電源，應(yīng)注意采用合適的電源退耦，最好采用多個(gè)電容并聯(lián)的形式(如1μF、0.1μF、0.01μF并聯(lián)組合)，使用±5V電源時(shí)，能獲得最低的差分增益和差分相位誤差，取得優(yōu)良的視頻性能。當(dāng)驅(qū)動(dòng)多根電纜時(shí)，須在電纜的輸出之間加入高頻隔離。放大器輸出端串入75Ω電阻保證運(yùn)放輸出與傳輸線的匹配，傳輸線末端并入75Ω電阻保證負(fù)載之間匹配，在增益G=6dB時(shí)，差分增益誤差0.05％，相位增益誤差0.01°，視頻性能優(yōu)良。注意，為減小信號(hào)源內(nèi)阻與放大器輸入電容(約3pF)對(duì)電路交流特性的影響，應(yīng)使信號(hào)源內(nèi)阻小于1kΩ；有時(shí)需要在反饋電阻RF兩端并聯(lián)一個(gè)小電容(3pF)加以補(bǔ)償，若采用標(biāo)準(zhǔn)NTSC或PAL或SECAM制式，且電路增益小于10dB和反饋電阻RF值小于500Ω，則補(bǔ)償電容可以不要；通常情況下，反饋電阻RF值小于1kΩ以有效減小放大器寄生電容對(duì)高頻特性的影響。