运算放大器细节大全
基本介绍中文名:operationalamplifier mbth:运算放大器？简称:运算放大器主要参数:共模抑制、增益带宽积等属性:高放大倍数电路单元材料:真空管诞生时间:1930、发展历史、原理、分类、通用型、高阻型、低温漂型、高速型、低功耗型、高压大功率型、可编程型、参数、共模输入电阻、DC共模抑制、交流共模抑制、增益带宽积、输入偏置电流、偏置电流温度漂移、输入偏置电流、 输入失调电流温度漂移(TCIOS)、差模输入电阻、输出阻抗、输出电压摆幅、功耗、电源抑制比、压摆率、电源电流、单位增益带宽、输入失调电压、输入电容、输入电压范围、输入电压噪声密度(en)、输入电流。 发展史上第一个用真空管设计的放大器是在1930左右完成的。这个放大器可以做加法和减法。运算放大器设计的第一个目的是将模拟电压转换成数字进行加减乘除，同时它也成为模拟计算机的基本组成部分。而理想运算放大器在电路系统设计中的应用，远远超过了加减乘除的计算。现在的运算放大器，无论是使用晶体管还是真空管，分立元件还是集成电路，都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是用真空管设计的，但目前大部分是集成电路元件。然而，如果系统中对放大器的需求超过了对集成电路放大器的需求，则通常使用分立元件来实现这些特殊的运算放大器。20世纪60年代末，飞兆半导体推出了第一款广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，由Bob Widlar设计。但709很快被新品μA741取代，性能更好，更稳定，更易用。741运算放大器已经成为微电子工业发展史上一个独特的标志。经过几十年的演变，一直没有被取代。很多集成电路厂商还在生产741。直到现在，μA741仍然是高校电子工程系讲解运算放大器原理的典型教材。如图所示，运算放大器有两个输入端A(反相输入端)、B(同相输入端)和一个输出端O。也分别称为反向输入、非反向输入和输出。当电压U-加在A端和公共端(公共端是电压为零的点)时，相当于电路中的参考节点。)，且其实际方向从A端高于共端，则输出电压u的实际方向是从共端指向O端，即方向刚好相反。当输入电压U+施加在B端和公共端之间时，U和U+相对于公共端的实际方向完全相同。为便于区分，A端和B端分别标有“-”和“+”，但不要误认为是电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应分开标记或用箭头指示。反相放大器和同相放大器如下:运算放大器运算放大器一般可以看作是一个高增益的直耦电压放大器，有一个信号输出连接端口(Out)和两个高阻输入端，所以可以用来制作同相、反相和差分放大器。运算放大器的供电方式分为双电源供电和单电源供电。对于双电源的运算放大器，其输出可以在零电压两侧变化，差分输入电压为零时，输出也可以置零。单电源供电的运算放大器的输出在电源和地之间的一定范围内变化。运算放大器的输入电位通常要求高于负电源，低于正电源。特别设计的运算放大器可以允许输入电位在负电源至正电源的整个范围内变化，甚至略高于正电源或略低于负电源。这种运算放大器称为轨到轨输入运算放大器。运算放大器的输出信号与两个输入端之间的信号电压差成正比。在音频部分，输出电压=A0(E1-E2)，其中A0为运算放大器的低频开环增益(如100dB，即10000倍)，E1为同相端的输入信号电压。分类根据集成运算放大器的参数，集成运算放大器可以分为以下几类。通用运算放大器是为通用目的而设计的。这类装置的主要特点是价格低、数量大、产品范围广，其性能指标能适合普遍使用。例子包括μA741(单运算放大器)、LM358(双运算放大器)、LM324(四运算放大器)和以FET作为输入级的LF356。它们是目前应用最广泛的集成运算放大器。运算放大器高阻集成运算放大器的特点是非常高的差模输入阻抗和非常小的输入偏置电流，一般RID >；1ω~ 1ω，IB是几皮安到几十皮安。实现这些目标的主要措施是利用场效应晶体管高输入阻抗的特性构成运算放大器的差分输入级。用FET做输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且速度快，频带宽，噪声低，但输入失调电压大。常见的集成器件有LF355、LF347(四个运算放大器)以及输入阻抗较高的CA3130和CA3140。低温漂型在精密仪器、微弱信号检测等自动控制仪器中，总是希望运算放大器的失调电压小，不随温度变化。低温漂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和由MOSFET构成的斩波稳零漂移器件ICL7650。高速型在快速A/D和D/A转换器和视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR必须很高，单位增益带宽BWG必须足够大。例如，通用集成运算放大器不适合高速应用。高速运算放大器的主要特点是高转换速率和宽频率响应。常见的运算放大器有LM318、μA715等。，Sr = 50 ~ 70V/US，BWG >；20兆赫.低功耗型由于电子电路集成最大的优点是可以使复杂的电路变得小巧轻便，随着便携式仪器应用范围的扩大，需要使用低电源电压、低功耗的运算放大器。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等。它们的工作电压为2V～18V，消耗电流为50～250μA..目前部分产品功耗已经达到μW级别。比如ICL7600的电源是1.5V，功耗是10mW，可以单节电池供电。运算放大器高压大功率运算放大器的输出电压主要受电源限制。在普通的运算放大器中，最大输出电压一般只有几十伏，输出电流只有几十毫安。为了提高输出电压或电流，必须在集成运算放大器之外增加一个辅助电路。本发明的高压大电流集成运算放大器无需任何附加电路即可输出高压大电流。比如D41集成运算放大器的电源电压可以达到150V，μA791集成运算放大器的输出电流可以达到1A。可编程控制在仪器使用中总会涉及量程问题。为了获得具有固定电压的输出，必须改变运算放大器的放大系数。比如一个运算放大器的放大倍数为10倍，输入信号为1mv，则输出电压为10mv，当输入电压为0.1mv时，输出仅为65438。程控运算放大器就是为了解决这个问题而产生的。比如PGA103A，通过控制引脚1，2的电平，改变放大倍数。参数共模输入电阻该参数表示输入共模电压范围与运算放大器线性区偏置电流变化的比值。DC共模抑制该参数用于测量运算放大器对作用于两个输入端的相同DC信号的抑制能力。交流共模抑制CMRAC用于衡量运算放大器对作用于两个输入端的同一交流信号的抑制能力，它是差模开环增益除以共模开环增益的函数。增益带宽积增益带宽积是一个常数，定义为开环增益与频率的特性曲线中下降-20dB/10倍的区域。输入偏置电流该参数指的是在运算放大器的线性区域内流入输入端的平均电流。偏置电流温度漂移该参数表示温度变化时输入偏置电流的变化。TCIB通常用pa/c表示，输入失调电流该参数指流入两个输入端的电流之差。输入失调电流温度漂移(TCIOS)该参数表示温度变化时输入失调电流的变化。TCIOS通常用pa/c表示差模输入电阻该参数表示输入电压的变化与输入电流相应变化的比值，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一个输入端与固定的共模电压相连。输出阻抗该参数是指运算放大器输出端在线性区的内部等效小信号阻抗。输出电压摆幅此参数指在不箝位输出信号的情况下可以实现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。功耗是指器件在给定电源电压下消耗的静态功率，Pd通常是在空载条件下定义的。运算放大器的电源抑制比该参数用于衡量运算放大器在电源电压变化时保持其输出不变的能力。PSRR通常用电源电压变化引起的输入失调电压变化来表示。转换率该参数是指输出电压变化与发生该变化所需时间之比的最大值。SR一般取v/&；微观；s表示为一个单位，有时分别表示为正变和负变。电源电流该参数是器件在额定电源电压下消耗的静态电流，这些参数通常是在空载条件下定义的。单位增益带宽该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。输入失调电压该参数表示需要施加在输入端以使输出电压为零的电压差。输入失调电压温度漂移(TCVOS)该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常表示为& amp；微观；V/c是单位。输入电容CIN表示运算放大器线性区内任意输入端(另一个输入端接地)的等效电容。输入电压范围该参数是指运算放大器正常工作时允许的输入电压范围(可以得到预期的结果)，VIN通常定义在规定的电源电压下。输入电压噪声密度(en)对于运算放大器，输入电压噪声可以视为连接到任何输入端的串联噪声电压源。eN通常用nV/root Hz表示，并在特定频率下定义。输入电流噪声密度(iN)对于运算放大器，输入电流噪声可视为两个噪声电流源，分别连接到各输入端和公共端，通常以pA/根号Hz为单位表示，并在指定频率下定义。理想的运算放大器参数:差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率无穷大；输入失调电压及其温度漂移、输入失调电流及其温度漂移和噪声均为零。应用运算放大器是广泛使用的器件，当连接到适当的反馈网络时，可以用作精密交流和DC放大器、有源滤波器、振荡器和电压比较器。测量运算放大器是一种差分输入单端输出的极高增益放大器，常用于高精度模拟电路中，因此必须对其性能进行精确测量。然而，在开环测量中，其开环增益可能高达107或更高，拾波、杂散电流或Zeebek(热电偶)效应可能在放大器的输入端产生非常小的电压，因此误差将难以避免。利用伺服环路可以大大简化测量过程，将放大器的输入强制归零，使被测放大器可以测量自身的误差。图1显示了一个利用这一原理的多功能电路，它利用一个辅助运算放大器作为积分器来建立一个具有极高DC开环增益的稳定环路。该开关有助于执行下述各种测试。图1所示电路可以将大部分测量误差降至最低，支持大量DC和少量交流参数的精确测量。附加的“辅助”运算放大器不需要比被测运算放大器具有更好的性能，其DC开环增益应达到106或更高。如果被测器件(DUT)的失调电压可能超过几毫伏，则辅助运算放大器应由15V供电(如果DUT的输入失调电压可能超过10毫伏，则需要降低99.9kω的电阻R3的阻值。)图1 DUT的电源电压+V和–V幅度相等，极性相反。总电源电压当然是2× V，电路采用对称电源，即使是“单电源”运算放大器，因为系统的地是以电源的中间电压为参考的。作为积分器，辅助放大器在DC配置为开环(最大增益)，但其输入电阻和反馈电容将其带宽限制在几Hz。这意味着DUT输出端的DC电压由具有最高增益的辅助放大器放大，并通过1000:1衰减器施加于DUT的同相输入端。负反馈驱动DUT输出到地电位。(实际上，实际电压是辅助放大器的失调电压，更准确地说是失调电压加上辅助放大器的偏置电流在100kω的电阻上引起的压降，但它与地电位非常接近，所以没有关系，特别是考虑到在测量时该点的电压变化不太可能超过几mV)。测试点TP1处的电压是施加于DUT输入端的校正电压(幅度等于误差)的1000倍，约为几十mV或更高，因此可以非常容易地进行测量。理想运算放大器的失调电压(Vos)为0，即当两个输入端连接在一起且中间电源电压保持不变时，输出电压也是中间电源电压。实际上，运算放大器的失调电压从几微伏到几毫伏不等，因此必须将此范围内的电压施加于输入端，以保持输出处于中间电位。图2显示了最基本的测试配置——失调电压测量。当TP1上的电压是DUT失调电压的1000倍时，DUT的输出电压处于地电位。理想的运算放大器具有无穷大的输入阻抗，没有电流流入其输入端。然而，实际上，少量“偏置”电流将流入反相和同相输入端(分别为I b–和Ib+)，这会在高阻抗电路中产生显著的失调电压。根据运算放大器的类型，这个偏置电流可能是几FA(1fa = 10–15A，每隔几微秒流过一个电子)到几NA；在一些超快速运算放大器中，甚至达到1-2 μA a，图3显示了这些电流是如何测量的。该电路与图2中的失调电压电路基本相同，只是在DUT的输入端增加了两个串联电阻R6和R7。这些电阻可以通过开关S1和S2短路。当两个开关都闭合时，电路与图2完全相同。当S1关断时，反相输入端的偏置电流流入Rs，电压差增加至失调电压。通过测量TP 1(= 1000 IB–×RS)的电压变化，可以计算出IB–。类似地，当S1闭合且S2断开时，可以测量Ib+如果在S1和S2都闭合时首先测量TP1的电压，然后在S1和S2都断开时再次测量TP1的电压，则可以通过该电压的变化来计算“输入失调电流”Ios，即Ib+和Ib-之间的差值。R6和R7的电阻值取决于要测量的电流。图2图3如果Ib的值约为5 pA，将使用大电阻。使用这种电路将非常困难，可能需要其他技术，包括Ib对低泄漏电容(用于替代Rs)充电的速率。当S1和S2闭合时，Ios仍会流入100ω的电阻，产生Vos误差，但在计算中通常可以忽略，除非Ios大到产生大于实测Vos的1%的误差。运算放大器的开环DC增益可能非常高，107以上的增益并不少见，但250，000至2，000，000的增益更常见。DC增益的测量方法是通过S6在DUT的输出端和1 V的基准电压之间切换R5，迫使DUT的输出改变一定的量(图4中为1 V，但如果器件由足够大的电源供电，则可以指定为10 V)。如果R5为+1 V，DUT输出必须为–1V，以保持辅助放大器的输入恒定在0附近。TP1的电压变化经1000:1衰减后输入到DUT，导致输出变化为1 V，因此很容易计算出增益(= 1000 × 1 V/TP1)。图4为了测量开环交流增益，需要在DUT的输入端注入一个小的交流信号，并测量相应的输出信号(图5中的TP2)。完成后，辅助放大器继续稳定DUT输出端的平均DC电平。在图5中，交流信号通过10，000: 1的衰减器施加到DUT的输入端。如此大的衰减值必须用于低频测量，此时开环增益可能接近DC值。(例如，当增益为1，000，000时，1 V rms信号将向放大器的输入施加100 μV，放大器将试图提供100 V rms输出，导致放大器饱和。所以交流测量的频率一般是开环增益下降到1时的频率几百Hz；当需要低频增益数据时，在低输入幅度下测量时应非常小心。图示的简易衰减器只能工作在100 kHz以下的频率，即使小心处理杂散电容，也不能超过这个频率。如果涉及更高的频率，就需要使用更复杂的电路。运算放大器的共模抑制比(CMRR)是指共模电压变化引起的失调电压表观变化与所加共模电压变化的比值。在DC，一般在80分贝到120分贝之间，但在高频时会降低。图5测试电路非常适合于测量CMRR(图6)。它不是将共模电压施加于DUT的输入端以避免低电平效应破坏测量，而是改变电源电压(与输入端方向相同，即共模方向)，而电路的其余部分保持不变。在图6所示的电路中，失调电压在TP1处测得，电源电压为V(本例中为+2.5 V和–2.5V)，两个电源电压再次上移+1 V(至+3.5 V和–1.5V)。失调电压的变化对应于1 V的共模电压的变化，因此DC CMRR是失调电压与1 V的比值。图6 CMRR测量失调电压相对于共模电压的变化，而总电源电压保持不变。另一方面，电源抑制比(PSRR)是指失调电压的变化与总电源电压的变化之比，共模电压保持中间电源电压不变(图7)。所用电路完全相同，只是总电源电压发生变化，而共模电平保持不变。在本例中，电源电压从+2.5 V和–2.5 V切换到+3 V和–3V，总电源电压从5V变为6 V，共模电压仍保持中间电源电压。计算方法相同(1000 × TP1/1 V)。图7为了测量交流CMRR和PSRR，需要用电压来调制电源电压，如图8所示。DUT继续在DC开环中工作，但确切的增益由交流负反馈决定(图中为100倍)。为了测量交流CMRR，DUT的正负电源由峰值幅度为1 V的交流电压调制，两个电源的调制同相，因此实际电源电压是稳定的DC电压，但共模电压是2V峰峰值正弦波，这导致DUT输出包括在TP2测量的交流电压。图8如果TP2的交流电压幅度为x V峰(2 V峰峰值)，则折合到DUT输入端的CMRR(即放大100倍交流增益前)为x/100 V，CMRR为该值与1 V峰的比值。交流PSRR的测量方法是在相位差为180的正负电源上施加交流电压，从而调制电源电压的幅度(本例中也是1 V峰值，2 V峰值)，而共模电压保持稳定的DC电压。计算方法与前面的参数非常相似。综上所述，当然，可能需要测量的运算放大器的其他参数还有很多，测量上述参数的方法也有很多，但如本文所示，最基本的DC和交流参数可以通过简单的基本电路可靠地测量，这些电路易于构建，易于理解，没有任何问题。