原创 运算放大器参数含义

2012-3-20 08:26 1512 5 8 分类: 消费电子
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。

编辑本段历史

  运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算单元,是模拟电子计算机的基本组成部件,由真空电子管组成。

  第一块集成运放电路是美国仙童(fairchild)公司发明的μA741,在60年代后期广泛流行。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。

编辑本段原理

  运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图:
 
  一般可将运放简单地视为:具有一个信号输出端口(Out)和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元,因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

  运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放,其输出可在零电压两侧变化,在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放,输出在电源与地之间的某一范围变化。

  运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值,而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化,甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨(rail-to-rail)输入运算放大器。

  运放的输出电位通常只能在高于负电源某一数值,而低于正电源某一数值之间变化。经过特殊设计的运放可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化。这种运放成为轨到轨(rail-to-rail)输出运算放大器。

  运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比,在音频段有:输出电压=A0(E1-E2),其中,A0 是运放的低频开环增益(如 100dB,即 100000 倍),E1 是同相端的输入信号电压,E2 是反相端的输入信号电压。

编辑本段类型

  按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。

  1.通用型运算放大器

  通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例μA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

  2.高阻型运算放大器

  这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

  3.低温漂型运算放大器

  在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

  4.高速型运算放大器

  在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。

  5.低功耗型运算放大器

  由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

  6.高压大功率型运算放大器

  运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,μA791集成运放的输出电流可达1A。

编辑本段主要参数

  1.共模输入电阻(RINCM)

  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。

  2.直流共模抑制(CMRDC)

  该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。

  3.交流共模抑制(CMRAC)

  CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力,是差模开环增益除以共模开环增益的函数。

  4.增益带宽积(GBW)

  增益带宽积AOL * ?是一个常量,定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。

  5.输入偏置电流(IB)

  该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。

  6.输入偏置电流温漂(TCIB)

  该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以pA/°C为单位表示。

  7.输入失调电流(IOS)

  该参数是指流入两个输入端的电流之差。

  8.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。

  9.差模输入电阻(RIN)

  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。在一个输入端测量时,另一输入端接固定的共模电压。

  10.输出阻抗(ZO)

  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。

  11.输出电压摆幅(VO)

  该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值,VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。

  12.功耗(Pd)

  表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率,Pd通常定义在空载情况下。

  13.电源抑制比(PSRR)

  该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力,PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。

  14.转换速率/压摆率(SR)

  该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/μs为单位表示,有时也分别表示成正向变化和负向变化。

  15.电源电流(ICC、IDD)

  该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流,这些参数通常定义在空载情况下。

  16.单位增益带宽(BW)

  该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。

  17.输入失调电压(VOS)

  该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。

  18.输入失调电压温漂(TCVOS)

  该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化,通常以μV/°C为单位表示。

  19.输入电容(CIN)

  CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。

  20.输入电压范围(VIN)

  该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时,所允许的输入电压的范围,VIN通常定义在指定的电源电压下。

  21.输入电压噪声密度(eN)

  对于运算放大器,输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源,eN通常以 nV / 根号Hz 为单位表示,定义在指定频率。

  22.输入电流噪声密度(iN)

  对于运算放大器,输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源,连接到每个输入端和公共端,通常以 pA / 根号Hz 为单位表示,定义在指定频率。

编辑本段应用

  运算放大器是用途广泛的器件,接入适当的反馈网络,可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。
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文章评论3条评论)

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用户1433992 2013-11-21 14:07

讲的有道理

luoyp8805_694243840 2013-11-10 11:51

要抄得有价值。

用户1017411 2013-11-9 19:30

确实,不仅要知其然,还要知其所以然

用户1255142 2013-11-7 18:13

又一个电源上犯错的案例。搞电路设计,第一重要是电源,这点能过关,一定是个好工程师。复杂数字电路如ARM9之类的,看起来吓人,搞多了你会发现其实更接近体力活。

用户1255142 2013-11-7 17:46

你这个理解力让人有点挠头。我的例子其实说了两件事: 1、电源的输出二极管烧坏了一个,短路了。这属于器件不良。对于我的盒子而言,一个二极管就够了,多一个也没有想当然的好处。 2、才是讨论假如需要更大电流时并联二极管的潜在问题,如DX3所言。

用户1699078 2013-11-7 08:54

DX3的解释是基于一个安培数小的管子不够用的情况,可是你一个3A的管子可以正常使用,为什么再并一个3A的上去后会死呢???

用户1406868 2013-11-7 07:36

楼主分析很有道理。 我认为即便是拿到了什么已有的产品或电路,还是需要仔细查看手册,确认这些资料是否正确,如果两边都对上才能才能使用已有的,要不就需要做更进一步的核对和实验。 有些工程师就是拿来主义,不仔细查看手册,导致问题。我们曾招了一个十几年工作经验的工程师,实习期让他做了一个生产上用的arm9板,因为用量很小,范围只是在生产,再加上这种arm9板的开发资料很多,开发阶段就没有做评审,结果到生产上线,发现一批几十套板总会出现上电后arm9无法启动的问题,而且这种问题很随机。后来查到电源这才发现ldo的输出电容过大导致ldo工作不正常。其实在手册上就很明白的写了输出电容的要求 ,材质大小都有规定。但这个工程师就凭看到的几个资料,认为电源输出电容就应该是越大越好。这就是典型的知其然不知其所以然,不求甚解。抄板如此,抄产品一样。要抄,也得想明白怎么回事了再抄。要不就是半桶水在那晃荡,声挺大,没内容

用户1406868 2013-11-6 09:31

抄了再超越 这句话不错!11

用户1255142 2013-11-5 23:25

参看DX3同学的解释,他说的很清楚了。

用户1678991 2013-11-5 16:33

二极管并联容易死的问题很容易理解,假如我要求5A电流,我并联了两个3A的二极管(D1、D2),由于二极管的开启电压不可能相同(假设D1开启电压为0.7V,D2开启电压为0.71V),所以D1会比D2先导通,而且电位会被钳制在0.7V,D2几乎不可能导通,就会导致单只管子电流过高而烧毁的情况了
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