1 什么是运算放大器 运算放大器(运放)用于调节和放大模拟信号，运放是一个内含多级放大电路的集成器件，如图所示： 左图为同相位，Vn端接地或稳定的电平，Vp端电平上升，则输出端Vo电平上升，Vp端电平下降，则输出端Vo电平下降；右图为反相位，Vp端接地或稳定的电平，Vn端电平上升，则输出端Vo电平下降，Vn端电平下降，则输出端Vo电平上升 2 运算放大器的性质 理想运算放大器具备以下性质： 无限大的输入阻抗： 理想的运算放大器输入端不容许任何电流流入，即输入信号V+与V-两端点的电流信号恒为零，即输入阻抗无限大 趋近于零的输出阻抗： 理想运算放大器的输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出电压恒为一定值，即输出阻抗为零 无限大的开回路增益： 理想运算放大器的开回路的状态下，输入端的差动信号有无限大的电压增益，这个特性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态 无限大的共模抑制比： 理想运算放大器只能对V+与V-两端点电压的差值(差分信号)有反应，即只放大V + − V − 的部份。对于两输入信号的相同的部分(共模信号)将完全忽略不计 共模信号：双端输入时，两个信号相同。差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度 集成运算放大器有两种工作状态： 线性状态和非线性状态，当给集成运算放大器加上负反馈电路时，工作在线性状态，如果给集成运算放大器加正反馈电路或当其在开环工作时，工作在非线性状态 工作在线性状态的集成运算放大器有以下特点： 具有虚断特性及流入和流出输入端的电流都为0，I-=I+=0A 具有虚短的特性及两个输入端的电压相等，U+=U- 虚短和虚断 虚短： 集成运算放大器的开环放大倍数很大，一般通用型的运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上，但是运放的输出电压是有限制的，一般 在10V～14V，然而运放的差模输入电压不足1 mV，因此可以输入两端可以近似等电位，就相当于短路。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等，这种特性称之为虚短 虚断： 集成运算放大器具有输入高阻抗的特性，一般同向输入端和反向输入端的输入电阻都在1MΩ以上，所以输入端流入运放的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。所以这里通常可把运放的两输入端视为开路，并且运放的输入电阻越大，同向和反向输入两端越接近开路。在运放处于线性状态时，根据这个特性可以把两输入端视为等效开路，简称虚断 工作在非线性状态的集成运算放大器具有以下特点： 当同相输入端电压大于反向输入端电压时，输出电压为高电平 当同相输入端电压小于反向输入端电压时，输出电压为低电平 3 运算放大器的分类 运算放大器按参数可分类为如图所示： 通用型运算放大器： 价格低廉，其性能指标适合于一般应用场景，常用型号LM358、LM324 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，失调电压要小且不随温度的变化而变化，常用型号OP07、AD508 高精度运算放大器： 受温度影响小，噪声低，灵敏度高，适合微小信号放大，常用型号CF725M 高阻型运算放大器： 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，常用型号LF355、CA3130 高速型运算放大器： 具有高的转换速率和宽的频率响应，用于快速A/D和D/A转换器，常用型号LM318、AD8052 低功耗型运算放大器： 低电源电压供电、低功率消耗，常用型号LM321、AD849 高压大功率型运算放大器： 运放的输出电压受供电电源的限制，普通运放若要提高输出电压或增大输出电流，需要加辅助电路。高压大功率运放外部不需要任何电流，即可输出高电压和大电流，常用型号PA44、A791 可编程控制运算放大器： 放大倍数可变，常用型号PGA103A、LTC6910 4 运算放大器的参数 共模输入电阻： 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 直流共模抑制： 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 交流共模抑制： 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 增益带宽积： 是个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以(-20dB/10倍频程)滚降的区域 输入偏置电流： 指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流 偏置电流温漂： 输入偏置电流在温度变化时产生的变化量 输入失调电流： 流入两个输入端的电流之差 输入失调电流温漂： 输入失调电流在温度变化时产生的变化量 差模输入电阻： 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 输出阻抗： 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 输出电压摆幅： 输出信号不发生钳位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰值 功耗： 在给定电源电压下所消耗的静态功耗 电源抑制比： 衡量电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力 转换速率： 输出电压的变化量与发生变化所需要时间之比的最大值 电源电流： 指定电源电压下器件消耗的静态电流 单位增益带宽： 开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率 输入失调电压： 表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差 输入失调电压温漂： 指温度变化引起的输入失调电压的变化 输入电容： 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 输入电压范围： 运算放大器正常工作时，允许输入电压的范围 输入电压噪声密度： 可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源 输入电流噪声密度： 可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端 5 运算放大器的应用 反相放大电路如图所示： 反相放大电路输入输出电压关系： 同相放大电路如图所示： 同相放大电路输入输出电压关系： 加法电路如图所示： 加法电路输入输出电压关系： 减法电路如图所示： 减法电路输入输出电压关系： 积分电路如图所示： 积分电路输入输出电压关系： 微分电路如图所示： 微分电路输入输出电压关系： 差分放大电路如图所示： 差分放大电路输入输出电压关系： 电压跟随器如图所示： 电磁采样放大电路如图所示：
基础 在学习运放选型前，我们需要先来透测的学习运放电路的内部结构和原理，对于我们来说是模拟电路中十分重要的元件，它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路，我们可以运用运放的"虚短"和"虚断"来分析电路，然后应用欧姆定律等电流电压关系，即可得输入输出的放大关系等。 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V～14 V 因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于"短路"。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。 虚短 是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 虚断 是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 下面本文用虚断和虚断方法来对实际的电路进行分析，如图1-1所示，是常见的反相比例运算放大电路： 在反相放大电路中，信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端，输出电压Vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压并联负反馈放大电路。 运放的同相端接地=0V，反相端和同相端虚短，所以也是0V，反相输入端输入电阻很高，虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和Rf相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过Rf的电流是相同的。 根据欧姆定律： Is= (Vs- V-)/R1……......…(1) If= (V- - Vo)/Rf……...........(2) V- = V+ = 0 ……......………(3) Is= If ……………......………(4) 求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi 在分析电路的过程中，暂时不用管运放的其他特性，就根据虚短和虚断的特性来分析。当然，若运放不工作在放大区时，不满足虚短和虚断发条件，不能使用此种方法来分析，如比较器。 如下图1-2，是运放实现的加法器，用虚短和虚断的方法来分析此电路。 由于电路存在虚短，运放的净输入电压vI=0，反相端为虚地。 vI=0，vN=0…………………............................(5) 反相端输入电流iI=0的概念，通过R2与R1的电流之和等于通过Rf的电流故： (Vs1 – V-)/R1 + (Vs2 – V-)/R2 = (V- –Vo)/Rf....(6) 如果取R1=R2=R3，由a，b两式解得 -Vout=Vs1+Vs………..................................……(7) 式(7)中负号为反相输入所致，若再接一级反相电路，可消去负号。 简言之，虚短是运放正输入端和负输入端的电压相等，近似短路;虚断是流入正负输入端的电流为0。只要掌握了这一点，再运用欧姆定律，即可很容易的分析同相比例放大电路，反向比例放大电路等常用的运放放大电路。 运放具体该怎么选择呢? 重点牢记 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。mA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)，它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。 2、精密运算放大器 精密运算放大器一般指失调电压低于1mV的运放，对于直流输入信号，输入失调电压(VOS)和它的温漂小就行，但对于交流输入信号，我们还必须考虑运放的输入电压噪声和输入电流噪声，在很多应用情况下输入电压噪声和输入电流噪声显得更为重要一些。在传感器类型和(或)其使用环境带来许多特别要求时，例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨输入及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和(或)在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性，运算放大器的选择就会变得特别困难。精密放大电路会多一些电源去耦，滤波等特殊设计的电路。主要区别在于运算放大器上，精密运算放大器的性能比一般运放好很多，比如开环放大倍数更大，CMRR更大，速度比较慢，GBW，SR一般比较小。失调电压或失调电流比较小，温度漂移小，噪声低等等。好的精密运放的性能远不是一般运算放大器可以比得，一般运放的失调往往是几个mV，而精密运放可以小到1uV的水平。要放大微小的信号，必须用精密运放，用了一般的运放，它自身都会带入很大的干扰。要通过外围电路改善，小幅或者微调可以，但无法大幅度或者彻底改变。最常用的精密运放为OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的还有很多，比如美国AD公司的产品，很多都是OPA带头的。 3、高阻型集成运算放大器 高阻型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>(109~1012)W,IIB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LF356、LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。 4、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。常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。 5、高速型运放 高速型运放在快速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、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。 6、低功耗型运放 低功耗型运放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,所以随着便携运算放大器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50~250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。 7、高压大功率型运算放大器 高压大功率型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,mA791集成运放的输出电流可达1A。 总结 相信通过上面的介绍，对不同使用条件下是否能使用同一种运放，显然是比较清楚的，实际选择集成运放时,还应考虑其他因素。 例如信号源的性质,是电压源还是电流源?负载的性质?集成运放输出电压和电流的是否满足要求?环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求? 最后再赠送大家一些评价运放的小经验，评价集成运放性能的优劣,应看其综合性能： SR为转换率,单位为V/ms,其值越大,表明运放的交流特性越好; Iib为运放的输入偏置电流,单位是nA; VOS为输入失调 电压,单位是mV。 Iib和VOS值越小,表明运放的直流特性越好。
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