运算放大器
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| 运算放大器 |
- 1 简介
- 2 电路结构
- 3 分类
- 4 主要参数
- 5 应用
- 6 相关词条
- 7 参考资料
运算放大器-简介
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| icl7650斩波稳零运算放大器的原理 |
直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）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。所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上。
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。
运算放大器-电路结构
运算放大器的电路结构有三种主要形式。一是单端输入、单端输出，斩波稳定式直流放大器等采取这种形式。二是差分输入、单端输出，大多数集成运算放大器采取这种形式。三是差分输入、差分输出，直流放大器和部分集成放大器采取这种形式。频率补偿
运算放大器是多级放大电路，通常在较高的频率上仍具有大于1的增益，而内部电路产生的附加相移却已达到或超过180°。因而，在反馈运用条件下会产生自激振荡。采用频率补偿，即采用附加电容、附加电阻等元件可减小相移，使放大器稳定。最常用的补偿方法是单极点补偿。它是在高增益中间放大级加反馈电容。频率补偿所用的电容应满足下述条件：
Cf≥gm/2πfu (1)
式中gm是差动输入级的跨导，fu是放大器的稳定单位增益频带宽度。对于通用型运算放大器来说，fu约为1兆赫，gm通常设计得很小，例如200微欧，补偿电容只需要数十皮法，它可以和放大器制做在同一芯片上。 大信号响应
在大的输入信号脉冲驱动下，运算放大器的输出电压随时间变化的最大速率称为电压摆率，通常用符号SR表示。因为差动输入级被驱动到饱和状态时，它提供给补偿电容的充电电流与允许的放电电流不能超过输入级偏置电流I
，因此
SR＝I/Cf (2)
大多数运算放大器的电压摆率在1伏／微秒以下，然而在某些改进的设计中电压摆率已达到100伏／微秒以上。 理想运算放大器 开环增益A和输入阻抗Ri均趋近于无穷大、输出阻抗Ro趋近于零的运算放大器。这是用于电路分析的一种概念。采用理想运算放大器这一概念可以使电路分析简化。例如，在含有运算放大器的图1a电路中，假定差分输入端的电压为uε，放大后的输出电压由负反馈电阻Rf反馈回输入端。若放大器的增益为无穷大，则必定迫使相消后的输入电压uε为零。这个物理现象通常称为虚短路特性。因此，对于含有理想运算放大器的电路，可以假定差分输入端的电压和电流均为零，输入阻抗力无穷大。因为实际的运算放大器，其直流增益通常在104倍以上，差分输入电阻为兆欧量级。因此，利用理想运算放大器作为近似条件，对于低频率电路（如模拟运算器）的分析来说其结果与实际情况基本符合。
放大运用的基本电路 运算放大器常被用来实现电信号的反相放大、同相放大和差分输入／输出放大。引入反馈很容易控制其放大倍数。对于图1的反相放大器电路，利用虚短路特性可以写出i1=ui/Rs，if＝-u0/Rf。由于放大器输入电流为零，故i1＝if，于是可求得电压增益
K＝u0/ui＝-Rf/Rs (3)
这表明放大器增益只决定于电阻Rf/Rs的比值。
图2a中同相放大器电路的电压增益为
K＝u0/ui＝1+Ri/R2 (4)
图2b是图2a在R1=0时的情况。这时R2是多余的，整个放大器变成一个跟随器，其电压增益K＝1。
在模拟计算机中，相加和积分是两种基本运算。它们都能用运算放大器电路来实现。
① 模拟加法器:图3是模拟加法器的电路。利用理想运算放大器的近似条件可得到
(5)若取R1＝R2＝…＝Rn＝Rf，就可得到简单的求和关系式
u0＝-(u1+u2+…+un) (6)② 模拟积分器:图4是模拟积分器电路。假定电容器Cf上起始电压是零，由虚短路特性可知，i1＝ui/R1＝if。又u0＝-uc＝-1/Cf
ifdt。于是
u0＝-1/R1Cfuidt (7)
若Cf起始电压不为零，式(5)还要附加一个起始电压。
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运算放大器-分类
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| icl7650斩波稳零运算放大器的原理 |
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。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/us，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。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。
运算放大器-主要参数
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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。
运算放大器-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。