運放

運放是運算放大器的簡稱。在實際電路中，通常結合反饋網路共同組成某種功能模組。由於早期套用於模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名“運算放大器”，此名稱一直延續至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體晶片當中。隨著半導體技術的發展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。現今運放的種類繁多，廣泛套用於幾乎所有的行業當中。

基本介紹

• 中文名：運放
• 外文名：operational amplifier
• 簡稱：運算放大器
• 通常結合：反饋網路共同組成某種功能模組

簡介

運放(operational amplifier,簡稱OPA）能對信號進行數學運算的放大電路。它曾是模擬計算機的基礎部件，因而得名。採用積體電路工藝製做的運算放大器，除保持了原有的很高的增益和輸入阻抗的特點之外，還具有精巧、廉價和可靈活使用等優點，因而在有源濾波器、開關電容電路、數-模和模-數轉換器、直流信號放大、波形的產生和變換，以及信號處理等方面得到十分廣泛的套用。

icl7650斬波穩零運算放大器的原理

直流放大電路在工業技術領域中，特別是在一些測量儀器和自動化控制系統中套用非常廣泛。如在一些自動控制系統中，首先要把被控制的非電量（如溫度、轉速、壓力、流量、照度等）用感測器轉換為電信號，再與給定量比較，得到一個微弱的偏差信號。因為這個微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動顯示或者執行機構，所以需要把這個偏差信號放大到需要的程度，再去推動執行機構或送到儀表中去顯示，從而達到自動控制和測量的目的。因為被放大的信號多數是變化比較緩慢的直流信號，分析交流信號放大的放大器由於存在電容器這樣的元件，不能有效地耦合這樣的信號，所以也就不能實現對這樣信號的放大。能夠有效地放大緩慢變化的直流信號的最常用的器件是運算放大器。運算放大器最早被發明作為模擬信號的運算（實現加減乘除比例微分積分等）單元，是模擬電子計算機的基本組成部件，由真空電子管組成。所用的運算放大器，是把多個電晶體組成的直接耦合的具有高放大倍數的電路，集成在一塊微小的矽片上。

基本分類

集成運算放大器的分類

按照集成運算放大器的參數來分,集成運算放大器可分為如下幾類。

icl7650斬波穩零運算放大器的原理

通用型

通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產品量大面廣,其性能指標能適合於一般性使用。例mA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應管為輸入級的LF356都屬於此種。它們是目前套用最為廣泛的集成運算放大器。

精密運放

精密運算放大器一般指失調電壓低於1mV的運放並同時強調失調電壓隨溫度的變化漂移值要小於100V。對於直流輸入信號，VOS和它的溫漂足夠小就行了，但對於交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多套用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。同時，很多套用設計中需要使用可程式高精密運算放大器（PVGA），在信號鏈中對放大倍數進行動態調整。

在用於實現許多高端感測器的輸入處理設計時，如何選擇最佳的精密運算放大器卻存在一些挑戰。

在感測器類型和（或）其使用環境帶來許多特別要求時，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，運算放大器的選擇就會變得特別困難。

在基於感測器的複雜套用中，設計者需要進行多方面考慮，以便獲得規格與性能最佳組合的精密運算放大器，同時還需要考慮成本。具體而言，斬波穩定型運算放大器（零漂移放大器）非常適用於要求超低失調電壓以及零漂移的套用。斬波運算放大器通過持續運行在晶片上實現的校準機制來達到高DC精度。

精密運算放大電路與普通運算放大電路的區別：

普通運算放大電路構成一般類似，精密放大電路會多一些電源去耦，濾波等特殊設計的電路。主要區別在於運算放大器上，精密運算放大器的性能比一般運放好很多，比如開環放大倍數更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調電壓或失調電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運放的性能遠不是一般運算放大器可以比得，一般運放的失調往往是幾個mV，而精密運放可以小到1uV的水平。要放大微小的信號，必須用精密運放，用了一般的運放，它自身都會帶入很大的干擾。要通過外圍電路改善，小幅或者微調可以，但無法大幅度或者徹底改變。

將來隨著各種新型感測器的推出，人們對電子設備性能要求越來越高，大量自動化設備投入使用，低失調、低噪聲的高精密放大器將會在醫療電子、測量儀表、汽車電子、工業自動化設備等領域大顯身手。高精密運算放大器的性能指標將與時俱進，向著更低電壓電流噪聲更低的失調電壓、更低的失調電壓溫漂、更大頻寬、更小功耗、更高電壓方向不斷創新，產品不斷推陳出新，滿足客戶不斷提高的設計需求。

最常用的精密運放就是OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的還有很多，比如美國AD公司的產品，很多都是OPA帶頭的。

高阻型

這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>（109~1012）W,IIB為幾皮安到幾十皮安。實現這些指標的主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點,用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級,不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬頻和低噪聲等優點,但輸入失調電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

低溫漂型

在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。

高速型

在快速A/D和D/A轉換器、視頻放大器中,要求集成運算放大器的轉換速率SR一定要高,單位增益頻寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運放是不能適合於高速套用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率回響。常見的運放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

低功耗型

由於電子電路集成化的最大優點是能使複雜電路小型輕便,所以隨著攜帶型儀器套用範圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250mA。目前有的產品功耗已達微瓦級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可採用單節電池供電。

運算放大器

高壓大功率型

運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達±150V,mA791集成運放的輸出電流可達1A。

使用說明

正確選擇集成運算放大器

集成運算放大器是模擬積體電路中套用最廣泛的一種器件。在由運算放大器組成的各種系統中,由於套用要求不一樣,對運算放大器的性能要求也不一樣。

在沒有特殊要求的場合,儘量選用通用型集成運放,這樣既可降低成本,又容易保證貨源。當一個系統中使用多個運放時,儘可能選用多運放積體電路,例如LM324、LF347等都是將四個運放封裝在一起的積體電路。

評價集成運放性能的優劣,應看其綜合性能。一般用優值係數K來衡量集成運放的優良程度,其定義為：式中,SR為轉換率,單位為V/ms,其值越大,表明運放的交流特性越好;Iib為運放的輸入偏置電流,單位是nA;VOS為輸入失調電壓,單位是mV。Iib和VOS值越小,表明運放的直流特性越好。所以,對於放大音頻、視頻等交流信號的電路,選SR（轉換速率）大的運放比較合適;對於處理微弱的直流信號的電路,選用精度比較的高的運放比較合適（既失調電流、失調電壓及溫飄均比較小）。

實際選擇集成運放時,除優值係數要考慮之外,還應考慮其他因素。例如信號源的性質,是電壓源還是電流源;負載的性質,集成運放輸出電壓和電流的是否滿足要求;環境條件,集成運放允許工作範圍、工作電壓範圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。

使用要點

1．集成運放的電源供給方式

集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE,但有不同的電源供給方式。對於不同的電源供給方式,對輸入信號的要求是不同的。

（1）對稱雙電源供電方式

運算放大器多採用這種方式供電。相對於公共端（地）的正電源（+E）與負電源（-E）分別接於運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下,可把信號源直接接到運放的輸入腳上,而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。

（2）單電源供電方式

單電源供電是將運放的-VEE管腳連線到地上。此時為了保證運放內部單元電路具有合適的靜態工作點,在運放輸入端一定要加入一直流電位,如圖3.2.1所示。此時運放的輸出是在某一直流電位基礎上隨輸入信號變化。對於圖3.2.1交流放大器,靜態時,運算放大器的輸出電壓近似為VCC/2,為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。

圖3.2.1 運算放大器單電源供電電路

2．集成運放的調零問題

由於集成運放的輸入失調電壓和輸入失調電流的影響,當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時,輸出往往不等於零。為了提高電路的運算精度,要求對失調電壓和失調電流造成的誤差進行補償,這就是運算放大器的調零。常用的調零方法有內部調零和外部調零,而對於沒有內部調零端子的集成運放,要採用外部調零方法。下面以mA741為例,圖3.2.2給出了常用調零電路。圖3.2.2(a)所示的是內部調零電路;圖（b）是外部調零電路。

3．集成運放的自激振盪問題

運算放大器是一個高放大倍數的多級放大器,在接成深度負反饋條件下,很容易產生自激振盪。為使放大器能穩定的工作,就需外加一定的頻率補償網路,以消除自激振盪。圖3.2.3是相位補償的使用電路。

圖3.2.2 運算放大器的常用調零電路 圖3.2.3 運算放大器的自激消除

另外,防止通過電源內阻造成低頻振盪或高頻振盪的措施是在集成運放的正、負供電電源的輸入端對地一定要分別加入一電解電容（10mF）和一高頻濾波電容（0.01mF~0.1mF）。如圖3.2.3所示。

4．集成運放的保護問題

集成運放的安全保護有三個方面：電源保護、輸入保護和輸出保護。

（1）電源保護。電源的常見故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護和電源電壓突變保護電路見圖 3.2.4（a）、(b)所示。對於性能較差的電源,在電源接通和斷開瞬間,往往出現電壓過沖。圖(b)中採用FET電流源和穩壓管鉗位保護,穩壓管的穩壓值大於集成運放的正常工作電壓而小於集成運放的最大允許工作電壓。FET管的電流應大於集成運放的正常工作電流。

（2）輸入保護。集成運放的輸入差模電壓過高或者輸入共模電壓過高（超出該集成運放的極限參數範圍）,集成運放也會損壞。圖3.2.5 所示是典型的輸入保護電路。

圖3.2.4 集成運放電源保護電路 圖3.2.5 集成運放輸入保護電路

（3）輸出保護。當集成運放過載或輸出端短路時,若沒有保護電路,該運放就會損壞。但有些集成運放內部設定了限流保護或短路保護,使用這些器件就不需再加輸出保護。對於內部沒有限流或短路保護的集成運放,可以採用圖3.2.6所示的輸出保護電路。在圖3.2.6電路中,當輸出保護時,由電阻R起限流保護作用。

β

圖3.2.6 集成運放輸出保護電路

主要參數

1.共模輸入電阻(RINCM)該參數表示運算放大器工作線上性區時，輸入共模電壓範圍與該範圍內偏置電流的變化量之比。

2.直流共模抑制(CMRDC)該參數用於衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信號的抑制能力。

3.交流共模抑制(CMRAC)CMRAC用於衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信號的抑制能力，是差模開環增益除以共模開環增益的函式。

4.增益頻寬積(GBW)增益頻寬積AOL ƒ是一個常量，定義在開環增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區域。

5.輸入偏置電流(IB)該參數指運算放大器工作線上性區時流入輸入端的平均電流。

6.輸入偏置電流溫漂(TCIB)該參數代表輸入偏置電流在溫度變化時產生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。

7.輸入失調電流(IOS)該參數是指流入兩個輸入端的電流之差。

8.輸入失調電流溫漂(TCIOS)該參數代表輸入失調電流在溫度變化時產生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。

9.差模輸入電阻(RIN)該參數表示輸入電壓的變化量與相應的輸入電流變化量之比，電壓的變化導致電流的變化。在一個輸入端測量時，另一輸入端接固定的共模電壓。

10.輸出阻抗(ZO)該參數是指運算放大器工作線上性區時，輸出端的內部等效小信號阻抗。

11.輸出電壓擺幅(VO)該參數是指輸出信號不發生箝位的條件下能夠達到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負載電阻和電源電壓下。

12.功耗(Pd)表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態功率，Pd通常定義在空載情況下。

icl7650斬波穩零運算放大器的原理

13.電源抑制比(PSRR)該參數用來衡量在電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導致的輸入失調電壓的變化量表示。

14.轉換速率/壓擺率(SR)該參數是指輸出電壓的變化量與發生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/µs為單位表示，有時也分別表示成正向變化和負向變化。

15.電源電流(ICC、IDD)該參數是在指定電源電壓下器件消耗的靜態電流，這些參數通常定義在空載情況下。

16.單位增益頻寬(BW)該參數指開環增益大於1時運算放大器的最大工作頻率。

17.輸入失調電壓(VOS)該參數表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差。

18.輸入失調電壓溫漂(TCVOS)該參數指溫度變化引起的輸入失調電壓的變化，通常以µV/°C為單位表示。

19.輸入電容(CIN)CIN表示運算放大器工作線上性區時任何一個輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。

20.輸入電壓範圍(VIN)該參數指運算放大器正常工作(可獲得預期結果)時，所允許的輸入電壓的範圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。

21.輸入電壓噪聲密度(eN)對於運算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連線到任意一個輸入端的串聯噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。

22.輸入電流噪聲密度(iN)對於運算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，連線到每個輸入端和公共端，通常以 pA / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。