運(yùn)算放大器可以說是模擬電子電路中有用的單個(gè)器件。當(dāng)你將它們應(yīng)用到電路中時(shí)，你必須了解它們的基礎(chǔ)知識(shí)和功能。

　　一、簡(jiǎn)介

　　至于運(yùn)算放大器的功能，在電子電路中，通常與反饋網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)成一定的功能模塊，具有特殊的耦合電路和反饋。它的輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)的加、減或微分、積分等，早期用于模擬計(jì)算機(jī)中做數(shù)學(xué)運(yùn)算。現(xiàn)在它們廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中，作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)用廣泛的器件之一。在各種系統(tǒng)中，由于應(yīng)用需求不同，對(duì)運(yùn)算放大器的性能要求也不同。

　　在沒有特殊要求的情況下，盡量采用通用集成運(yùn)算放大器，這樣可以降低成本，且易于更換。在系統(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)估取決于其整體性能。一般用品質(zhì)系數(shù)K來衡量集成運(yùn)放的程度，其定義為： 式中SR為轉(zhuǎn)換速率，單位為V/ms。該值越大，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 是輸入失調(diào)電壓，單位為 mV。Iib和VOS值越小，運(yùn)算放大器的直流特性越好。因此，對(duì)于放大音頻、視頻等交流信號(hào)的電路，選用SR大的運(yùn)放比較好；對(duì)于處理弱直流信號(hào)的電路，高精度的運(yùn)算放大器更適合（失調(diào)電流、失調(diào)電壓和溫度漂移都相對(duì)較小）。

　　選擇集成運(yùn)放時(shí)，除了品質(zhì)因數(shù)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)載性質(zhì)，集成運(yùn)放的輸出電壓、電流是否滿足要求；集成運(yùn)放的工作電壓范圍、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+VCC和-VEE兩個(gè)電源端，供電方式不同。不同的供電方式，對(duì)輸入信號(hào)的要求不同。

　　1）雙電源供電

　　運(yùn)算放大器大多采用這種方式供電。相對(duì)于公共端子（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)源可以直接連接到運(yùn)放的輸入引腳，輸出電壓的幅度可以使正負(fù)對(duì)稱。

　　2）單電源供電

　　單電源工作將運(yùn)算放大器的 -VEE 引腳接地。此時(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)放的輸入端加直流電勢(shì)。

　　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0。為了提高電路的工作精度，需要補(bǔ)償失調(diào)電壓和失調(diào)電流帶來的誤差。這是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零。對(duì)于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放，應(yīng)采用外部調(diào)零方法。

　　自振蕩

　　運(yùn)算放大器是高幅度多級(jí)放大器。在深度負(fù)反饋的情況下，很容易引起自激振蕩。為了使放大器穩(wěn)定工作，必須加入一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以消除自振蕩。另外，為防止電源內(nèi)阻引起低頻振蕩或高頻振蕩，應(yīng)并接電解電容（10mF）和高頻濾波電容（0.01mF～0.1mF）。

　　設(shè)備保護(hù)

　　集成運(yùn)放安全的保護(hù)有三個(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)

　　電源常見的故障有極性反接、電壓跳變等。對(duì)于性能較差的電源來說，在開關(guān)電源的瞬間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電壓過沖的情況。保護(hù)措施如采用FET電流源和電壓調(diào)節(jié)器鉗位保護(hù)。穩(wěn)壓器的電壓值大于集成運(yùn)放的正常工作電壓并小于集成運(yùn)放的允許工作電壓，場(chǎng)效應(yīng)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)放將會(huì)損壞。然而，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)

　　要想在電路中更好的使用運(yùn)放，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），也就是說輸出信號(hào)降低-3dB時(shí)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)頻率與該頻率下增益的乘積。換句話說，當(dāng)知道要處理的信號(hào)的頻率和增益時(shí)，就可以計(jì)算出單位增益帶寬（增益帶寬=放大倍數(shù)*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，它可以粗略地顯示運(yùn)放處理信號(hào)頻率的能力。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，則理論處理小信號(hào)的頻率為1MHz/100=10KHz。

　　對(duì)于大信號(hào)的帶寬，即功率帶寬，壓擺率SR的影響是主要因素，單位為V/uS。此時(shí)，通過FPBW=SR/2πVp-p計(jì)算出的功率帶寬，即設(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：向運(yùn)放輸入端輸入一個(gè)等幅正弦小信號(hào)，從運(yùn)放輸出端開環(huán)電壓增益下降3dB至直流增益時(shí)測(cè)得的頻率。運(yùn)算放大器。這用于非常小的信號(hào)處理。

　　轉(zhuǎn)換速率 SR

　　將運(yùn)放連接成閉環(huán)，向運(yùn)放的輸入端輸入一個(gè)大信號(hào)（包括階躍信號(hào)），從運(yùn)放的輸出端測(cè)量運(yùn)放的輸出上升率，稱為SR。由于運(yùn)算放大器的輸入級(jí)在轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行切換，運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路不起作用，即轉(zhuǎn)換速率與閉環(huán)增益無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)換速率對(duì)于大信號(hào)處理來說是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。對(duì)于一般運(yùn)放，壓擺率SR《=10V/μs，高速運(yùn)放的壓擺率SR》10V/μs。目前高速運(yùn)放的轉(zhuǎn)換率SR達(dá)到6000V/μs。SR越大，運(yùn)放對(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倍的情況下，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（允許一定失真）信號(hào)。該頻率受到運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率 SR 的限制。全功率帶寬大約由公式 SR / 2πVop 計(jì)算得出（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)放選型的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

　　設(shè)定時(shí)間

　　在額定負(fù)載下，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)階躍大信號(hào)，使輸出從0增加到給定值所需的時(shí)間。由于是階躍大信號(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)。該抖動(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)間有很大差異。精度越高，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。

　　等效輸入噪聲電壓

　　是指屏蔽良好、無(wú)信號(hào)輸入的運(yùn)放輸出端產(chǎn)生的任意交流隨機(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

　　它是指當(dāng)信號(hào)電壓施加到工作在線性區(qū)的運(yùn)放的輸出時(shí)，電壓的變化與相應(yīng)的電流變化的比值。在低頻下，它僅指運(yùn)算放大器的輸出電阻。

　　共模輸入電阻

　　指運(yùn)放兩輸入端輸入相同信號(hào)時(shí)，共模輸入電壓的變化與相應(yīng)的輸入電流的變化之比。在低頻下，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，通常用分貝來表示。它是衡量輸入級(jí)差分放大器對(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)。該值越大越好。

　　電源抑制比

　　電源電壓抑制比定義為線性區(qū)內(nèi)運(yùn)放輸入失調(diào)電壓隨電源電壓的變化率。電源電壓抑制比反映了電源變化對(duì)運(yùn)放輸出的影響。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)放的電源。當(dāng)然，具有高共模抑制比的運(yùn)放可以補(bǔ)償部分電源電壓抑制比。另外，使用雙電源時(shí)，正負(fù)電源的電源電壓抑制比可能不同。

　　差模輸入電阻

　　指運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，兩個(gè)輸入端電壓的變化與相應(yīng)輸入端電流變化的比值。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。采用雙極型晶體管作為輸入級(jí)的運(yùn)放的輸入電阻不大于10MΩ；作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入級(jí)的運(yùn)放的輸入電阻一般大于109Ω。

　　輸入失調(diào)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)，即轉(zhuǎn)換為輸入的失調(diào)電壓。它是輸出電壓為零時(shí)施加在輸入端的補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)放內(nèi)部電路的對(duì)稱性。對(duì)稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運(yùn)放的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，特別是當(dāng)它是精密運(yùn)放或用于直流放大時(shí)。

　　輸入失調(diào)電壓與制造工藝有一定關(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。如果用場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入級(jí)的話會(huì)更大。對(duì)于精密運(yùn)放來說，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，也越容易處理。因此，它是精密運(yùn)放極其重要的指標(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)電壓的補(bǔ)充，方便計(jì)算放大器電路在給定工作范圍內(nèi)由于溫度變化而產(chǎn)生的漂移。它是衡量溫度對(duì)運(yùn)放影響的重要指標(biāo)。一般情況下約為（10～30）uV/C（攝氏度），高質(zhì)量的可《0.5uV/C。

　　輸入失調(diào)電流

　　它定義為運(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)放來說是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，特別是對(duì)于精密運(yùn)放或者直流放大器來說。輸入失調(diào)電流大約是輸入偏置電流的一到十分之一。對(duì)小信號(hào)精密放大或直流放大有重要影響，特別是運(yùn)放外部使用大電阻時(shí)。輸入失調(diào)電流對(duì)精度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)中間零偏越小，越容易處理。因此，它是精密運(yùn)放極其重要的指標(biāo)。

　　輸入失調(diào)電流溫度漂移

　　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)。通常為（1-50）nA/C左右，高質(zhì)量的為數(shù)pA/C左右。該值僅在精密運(yùn)放參數(shù)中給出，用于直流信號(hào)處理或小型信號(hào)處理時(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，換句話說，就是運(yùn)放工作在工作狀態(tài)時(shí)流入輸入端的平均電流。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關(guān)系。如果采用場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入級(jí)，輸入偏置電流一般低于1nA。它通常用于測(cè)量差分放大器對(duì)的輸入電流。

　　差模輸入電壓

　　它是運(yùn)放兩個(gè)輸入端能夠承受的電壓。超過時(shí)，會(huì)發(fā)生差動(dòng)管反向擊穿。平面工藝制作的NPN管其Vidmax約為5V，水平PNP管的Vidmax可達(dá)30V以上。

　　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)定的負(fù)載下，當(dāng)運(yùn)放采用大電源供電時(shí)，是運(yùn)放能夠輸出的電壓幅度。除低壓運(yùn)放外，一般運(yùn)放的輸出峰峰值電壓均大于±10V，但小于電源電壓。這是由于輸出級(jí)的設(shè)計(jì)造成的。現(xiàn)代低壓運(yùn)算放大器的輸出級(jí)經(jīng)過特殊處理。輸出峰峰值電壓接近電源電壓50mV以內(nèi)，因此稱為滿量程輸出運(yùn)放，又稱軌對(duì)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)載其值不同；運(yùn)算放大器的正負(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)放必須加直流偏置，否則無(wú)法正常工作。對(duì)于虛地設(shè)計(jì)，除了直流電位外，還需要注意穩(wěn)壓（使用參考電壓芯片），還要保證低阻抗交流去耦，即低頻并行去耦至少 10uF，高頻去耦 0.1uF 以下。

　　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)輸入引腳并聯(lián)一只TVS管，防止運(yùn)放因輸入電壓信號(hào)過大而極性反轉(zhuǎn)，形成寄生假信號(hào)輸出。

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

　　6）功放的輸出需要通過開關(guān)二極管保護(hù)到電源和地，特別是連接感性負(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）大多數(shù)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)放中多余的通道）的引腳不應(yīng)懸空、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），同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)） 。它們還可以用作緩沖放大器，并將其添加到系統(tǒng)中的小影響位置。