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運算放大器(常簡稱為「運放」)是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中,通常結合反饋網路共同組成某種功能模塊。由於早期應用於模擬計算機中,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元當中。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。運放的種類繁多,廣泛應用於幾乎所有的行業當中。

1 運算放大器 -簡介

運算放大器icl7650斬波穩零運算放大器的原理
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。採用集成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應用。

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應用非常廣泛。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錶中去顯示,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,是把多個晶體管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。

第一塊集成運放電路是美國仙童(fairchild)公司發明的μA741,在60年代後期廣泛流行。直到今天μA741仍然是各大學電子工程系中講解運放原理的典型教材。

2 運算放大器 -電路結構

運算放大器的電路結構有三種主要形式。一是單端輸入、單端輸出,斬波穩定式直流放大器等採取這種形式。二是差分輸入、單端輸出,大多數集成運算放大器採取這種形式。三是差分輸入、差分輸出,直流放大器和部分集成放大器採取這種形式。

頻率補償

運算放大器是多級放大電路,通常在較高的頻率上仍具有大於1的增益,而內部電路產生的附加相移卻已達到或超過180°。因而,在反饋運用條件下會產生自激振蕩。採用頻率補償,即採用附加電容、附加電阻等元件可減小相移,使放大器穩定。最常用的補償方法是單極點補償。它是在高增益中間放大級加反饋電容。頻率補償所用的電容應滿足下述條件:

Cf≥gm/2πfu   (1)

式中gm是差動輸入級的跨導,fu是放大器的穩定單位增益頻帶寬度。對於通用型運算放大器來說,fu約為1兆赫,gm通常設計得很小,例如200微歐,補償電容只需要數十皮法,它可以和放大器製做在同一晶元上。

大信號響應

在大的輸入信號脈衝驅動下,運算放大器的輸出電壓隨時間變化的最大速率稱為電壓擺率,通常用符號SR表示。因為差動輸入級被驅動到飽和狀態時,它提供給補償電容的充電電流與允許的放電電流不能超過輸入級偏置電流I運算放大器,因此

SRI運算放大器/Cf    (2)

大多數運算放大器的電壓擺率在1伏/微秒以下,然而在某些改進的設計中電壓擺率已達到100伏/微秒以上。

理想運算放大器 開環增益A和輸入阻抗Ri均趨近於無窮大、輸出阻抗Ro趨近於零的運算放大器。這是用於電路分析的一種概念。採用理想運算放大器這一概念可以使電路分析簡化。例如,在含有運算放大器的圖1a電路中,假定差分輸入端的電壓為uε,放大后的輸出電壓由負反饋電阻Rf反饋回輸入端。若放大器的增益為無窮大,則必定迫使相消后的輸入電壓uε為零。這個物理現象通常稱為虛短路特性。因此,對於含有理想運算放大器的電路,可以假定差分輸入端的電壓和電流均為零,輸入阻抗力無窮大。因為實際的運算放大器,其直流增益通常在10倍以上,差分輸入電阻為兆歐量級。因此,利用理想運算放大器作為近似條件,對於低頻率電路(如模擬運算器)的分析來說其結果與實際情況基本符合。
運算放大器運算放大器
放大運用的基本電路運算放大器常被用來實現電信號的反相放大、同相放大和差分輸入/輸出放大。引入反饋很容易控制其放大倍數。對於圖1的反相放大器電路,利用虛短路特性可以寫出i1=ui/Rsif=-u0/Rf。由於放大器輸入電流為零,故i1if,於是可求得電壓增益
Ku0/ui=-Rf/Rs       (3)
這表明放大器增益只決定於電阻Rf/Rs的比值。
圖2a中同相放大器電路的電壓增益為
Ku0/ui=1+Ri/R2      (4)

圖2b是圖2a在R1=0時的情況。這時R2是多餘的,整個放大器變成一個跟隨器,其電壓增益K=1。

運算放大器運算放大器
在模擬計算機中,相加和積分是兩種基本運算。它們都能用運算放大器電路來實現。
① 模擬加法器:圖3是模擬加法器的電路。利用理想運算放大器的近似條件可得到

運算放大器   (5)

若取R1R2=…=RnRf,就可得到簡單的求和關係式

u0=-(u1+u2+…+un)      (6)

② 模擬積分器:圖4是模擬積分器電路。假定電容器Cf上起始電壓是零,由虛短路特性可知,i1ui/R1if。又u0=-uc=-1/Cf運算放大器ifdt。於是
u0=-1/R1Cf運算放大器uidt      (7)


Cf起始電壓不為零,式(5)還要附加一個起始電壓。 

運算放大器運算放大器

實際的運算放大器  在許多應用中,理想運算放大器的近似分析常常不夠精確。實際運算放大器的增益是有限值,而且隨頻率的升高而降低;其輸入阻抗不是無窮大,輸出阻抗也不等於零。這些都會引起模擬運算誤差並限制運算放大器的使用頻率。作為直流放大單元,運算放大器的零點漂移、輸出動態範圍、差分輸入的失調電壓、失調電流和共模抑制比,以及輸出電壓的最大變化率等技術指標,都會影響運用效果。這些因素在實際應用中須加以考慮。

3 運算放大器 -分類

運算放大器icl7650斬波穩零運算放大器的原理
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。

1.通用型運算放大器
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μA741(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。它們是應用最為廣泛的集成運算放大器。

2.高阻型運算放大器
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>1GΩ~1TΩ,IB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、寬頻和低雜訊等優點,但輸入失調電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347(四運放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

3.低溫漂型運算放大器
在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀錶中,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OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。

4.高速型運算放大器
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,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運放是不能適合於高速應用的場合的。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響應。常見的運放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

5.低功耗型運算放大器
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應用範圍的擴大,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50~250μA。有的產品功耗已達μW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。

6.高壓大功率型運算放大器
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,μA791集成運放的輸出電流可達1A。

4 運算放大器 -主要參數

運算放大器icl7650斬波穩零運算放大器的原理

1.共模輸入電阻(RINCM)該參數表示運算放大器工作在線性區時,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)該參數用于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用于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數。
4.增益帶寬積(GBW)增益帶寬積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在線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在線性區時,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。
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.單位增益帶寬(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在線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.輸入電壓雜訊密度(eN)對於運算放大器,輸入電壓雜訊可以看作是連接到任意一個輸入端的串聯雜訊電壓源,eN通常以 nV / 根號Hz 為單位表示,定義在指定頻率。
22.輸入電流雜訊密度(iN)對於運算放大器,輸入電流雜訊可以看作是兩個雜訊電流源,連接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。

運算放大器的發展歷史

第一個使用真空管設計的放大器大約在1930年前後完成,這個放大器可以執行加與減的工作。運算放大器最早被設計出來的目的是將電壓類比成數字,用來進行加、減、乘、除的運算,同時也成為實現模擬計算機(analog computer)的基本建構方塊。然而,理想運算放大器的在電路系統設計上的用途卻遠超過加減乘除的計算。今日的運算放大器,無論是使用晶體管(transistor)或真空管(vacuum tube)、分立式(discrete)元件或集成電路(integrated circuits)元件,運算放大器的效能都已經逐漸接近理想運算放大器的要求。早期的運算放大器是使用真空管設計,現在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統對於放大器的需求超出集成電路放大器的需求時,常常會利用分立式元件來實現這些特殊規格的運算放大器。1960年代晚期,仙童半導體(Fairchild Semiconductor)推出了第一個被廣泛使用的集成電路運算放大器,型號為μA709,設計者則是鮑伯·韋勒(Bob Widlar)。但是709很快地被隨後而來的新產品μA741取代,741有著更好的性能,更為穩定,也更容易使用。741運算放大器成了微電子工業發展歷史上一個獨一無二的象徵,歷經了數十年的演進仍然沒有被取代,很多集成電路的製造商至今仍然在生產741。直到今天μA741仍然是各大學電子工程系中講解運放原理的典型教材。 

5 運算放大器 -應用

運算放大器是用途廣泛的器件,接入適當的反饋網路,可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。

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