電子設計創(chuàng)新訓練(基礎)第二章 運算放大器應用

1、第二章 運算放大器應用 運算放大器是智能測控電子產(chǎn)品不可缺少的基本電路。根據(jù)實際儀器設備的功能與要求的不同，對放大器也有不同的要求，如增益的高低，失調(diào)的大小，頻帶的寬窄，輸入阻抗的高低，供電范圍的大小等等。而實際上，放大器的參數(shù)遠不止這些，要選擇合適的運算放大器，應該對它的主要指標有所了解。放大器的參數(shù)雖然有很多，但是放大器類型的選擇取決于最關(guān)鍵指標。例如，如果為交流應用而選擇一種高輸入阻抗的放大器，那么它的失調(diào)電壓及溫漂指標可能就比偏置電流的重要性小的多，而它們與帶寬相比則可能都不主要了；再如，如要測量一個高源內(nèi)阻的微弱直流信號，則失調(diào)電壓及其溫漂與輸入阻抗是最重要的指標。 真實世界的運算放

2、大器永遠也達不到理想放大器的指標，因此對于不同的應用，人們設計出了很多種類的放大器芯片，我們可以根據(jù)實際需要來選擇。本章節(jié)將以具體芯片為例對一些常用種類的運算放大器做一些簡單的介紹，有的放大器具體應用比較復雜，請讀者根據(jù)書中說明到產(chǎn)品的生產(chǎn)商的網(wǎng)站上參閱應用筆記。1 常用運算放大器常用運算放大器1.1 通用雙極型運算放大器 集成運算放大器開始被廣泛使用的時間是20世紀70年代末，最經(jīng)典的通用工業(yè)標準運算放大器是LM741，它是一款雙極型放大器。它當年在國內(nèi)有多種仿制產(chǎn)品，常見的型號有F007和5G24，在儀器儀表設計中獲得了大量應用，目前在一些低檔場合也經(jīng)常使用這種放大器，它的典型參數(shù)指標如下

3、：輸入失調(diào)電壓：典型為1mV，最大5mV輸入失調(diào)電壓溫漂：最大15V/C輸入偏置電流：典型20 nA，最大200 nA輸入阻抗：典型2 M，最小0.3 M共模輸入電壓：13V共模抑制比：90db轉(zhuǎn)換速率：0.5V/s穩(wěn)定時間：0.3s電源電壓范圍：5V22V電源電流：典型1.7mA，最大2.2mA 這款運放采用8腳封裝形式，典型的PDIP封裝管腳引出頂視圖參見圖。它引出了調(diào)零端，具體是1、5腳，使用時它們接一個10K以上的電位器，電位器中心抽頭接負電源進行失調(diào)調(diào)零。實際上，目前幾乎所有的8腳封裝運放都與741引腳兼容。LM741最早是美國國家半導體公司的型號，現(xiàn)在許多廠家都生產(chǎn)它，如：CA74

4、1、HA1741等。 LM741作為標準的工業(yè)放大器，占據(jù)了多年的應用統(tǒng)治地位，隨著對測量水平的要求，出現(xiàn)了更高水平的雙極型放大器，典型代表就是OP07。它使用正電源控制通過1、5腳調(diào)零。OP-07管腳封裝見圖，它的性能指標比741有很大幅度的提高，具體如下：輸入失調(diào)電壓：典型為60V，最大150V輸入失調(diào)電壓溫漂：最大2.5V/C輸入偏置電流：典型2nA，最大9 nA輸入阻抗：典型30 M，最小7M共模輸入電壓：14V共模抑制比：110db轉(zhuǎn)換速率：0.3V/s穩(wěn)定時間：0.5s電源電壓范圍：3V18V 目前有比OP07指標更高的OP27和OP37高指標放大器。 隨著運算放大器的廣泛使用，出

5、現(xiàn)了在一個芯片里封裝有有多個放大器的產(chǎn)品，典型的雙運放就是LM358。如圖，它在一個8腳芯片里封裝了兩個放大器，沒有引出調(diào)零端。它的特點是單電源工作，輸入和輸出都可以接近到地電位，同時它具有微功耗的特點。具體性能指標如下：輸入失調(diào)電壓：典型為3mV，最大6mV輸入失調(diào)電壓溫漂：最大7V/C輸入偏置電流：典型50nA，最大150 nA共模輸入電壓：0VCC-1.5V共模抑制比：80db轉(zhuǎn)換速率：0.3V/s穩(wěn)定時間：0.3s電源電壓范圍：3V32V，可雙電源供電電源電流：雙運放典型1mA，最大2mA LM358實際由三個系列產(chǎn)品組成，即：LM158、LM258和LM358，它們分別是軍品級、工業(yè)

6、品級和民品級別的產(chǎn)品。主要區(qū)別在于使用的溫度范圍上，軍品為-55125；工業(yè)品為-4085；民品為070。 由于358放大器的低功耗、單電源供電和廉價的特點，使它獲得了廣泛的應用，尤其在民用電子產(chǎn)品中至今仍有大量的應用。目前是極其低廉的普通運算放大器，價格低至幾毛錢一片幾毛錢一片。 還有一種常用的雙極型放大器就是四運放LM324，如圖，它在一個14腳芯片里封裝了四個放大器，沒有引出調(diào)零端。它的特點是單電源工作，輸入和輸出都可以接近到地電位，具體性能指標如下：輸入失調(diào)電壓：典型為3mV，最大7mV輸入失調(diào)電壓溫漂：最大7V/C輸入偏置電流：典型45nA，最大150 nA輸入阻抗：典型2 M，最小

7、0.3 M共模輸入電壓：0VCC-1.5V共模抑制比：80db轉(zhuǎn)換速率：0.3V/s穩(wěn)定時間：0.5s電源電壓范圍：3V32V，可雙電源供電電源電流：四個運放典型1.4mA，最大3mA LM324實際也由三個系列產(chǎn)品組成，即：LM124、LM224和LM324。由于324放大器的集中封裝、單電源供電和廉價的特點，使它在民用電子產(chǎn)品中有大量的應用。1.2 通用J-FET型運算放大器 雙極型放大器由于使用電流發(fā)達器件做輸入端，因此它的輸入阻抗必然不會太大，在一些高阻信號源的應用中受到限制，例如檢測壓電器件的電荷量或者檢測PH計的玻璃電極信號。這時，使用場效應管輸入端的放大器就能夠解決問題。 早期典

8、型的場效應管輸入端的放大器是LF356，它管腳與741完全兼容，但使用正電源調(diào)零，具體性能指標如下：輸入失調(diào)電壓：典型為3mV，最大7mV輸入失調(diào)電壓溫漂：最大5V/C輸入偏置電流：典型20 pA，最大100 pA輸入阻抗：1012 M共模輸入電壓：12V共模抑制比：100db轉(zhuǎn)換速率：12V/s電源電壓范圍：5V22V電源電流：典型5mA，最大7mA 與741相比，它具有極高的輸入阻抗，同時，從轉(zhuǎn)換速度上看，它的帶寬也比741寬。但由于它使用場效應管輸入端，因此它的輸入噪聲水平要比雙極型放大器高。常用的J-FET型運算放大器還有單運放CA3140、雙運放LF353及四運放LF444等，它們性

9、能類似。需要指出的是，幾乎所有的雙運放管腳都與LM358兼容，所有的四運放都與LM324管腳兼容。如果需要提高系統(tǒng)指標，使用高性能的運放可以直接在線路板上進行替換。1.3 自校準精密運算放大器 盡管象OP-27這樣的精密放大器的性能已經(jīng)很優(yōu)秀了，但是對于一些要高內(nèi)阻、小信號的放大，還是需要更高性能的運放的。ICL7650S就是一款性能更高的放大器，它采用斬波自穩(wěn)零技術(shù)，使失調(diào)電壓和失調(diào)電壓溫漂都非常小，同時使用場效應輸入，輸入阻抗極高。具體性能指標如下：輸入失調(diào)電壓：典型為1V，最大8V輸入失調(diào)電壓溫漂：0.02V/C輸入偏置電流：典型5pA，最大20pA輸入阻抗：1012 M共模輸入電壓：-

10、5.2V4V共模抑制比：140db轉(zhuǎn)換速率：2.5V/s穩(wěn)定時間：0.2s電源電壓范圍：2.5V16V電源電流：典型2mA，最大3mA 它比741類運放的結(jié)構(gòu)復雜。為實現(xiàn)自動穩(wěn)定零點的目的，它設計了一套斬波分時操作機構(gòu)，使用兩個外接的高品質(zhì)電容，實現(xiàn)系統(tǒng)零點的自動平衡補償，因此獲得了比較高的性能。圖中，芯片封裝了14個引腳，除了電源、同相端和反相端外，還有兩個存儲電容引腳CEXTA、CEXTB和它們的公共端CRETN，使用時，必須連接兩只高品質(zhì)的0.1F電容。其它的引腳則主要是同步功能控制端，一般不使用。 1.4 軌到軌輸出運算放大器 Rail to Rail 的中文含義是軌到軌輸出的意思。普

11、通的運算放大器的輸出是達不到電源值附近的，一般要低于電源1.5V左右，對于目前低壓電池供電的系統(tǒng)而言，需要運算放大器具有低壓單電源工作的能力，同時還要求它在有限的電源范圍內(nèi)具有盡可能大的輸出擺幅。需求促進了半導體工藝的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的運算放大器具有Rail to Rail 的能力。上面已經(jīng)提到TLC4501的就具有Rail to Rail輸出能力，常用的此種放大器有許多，典型的如：TLC2252和TLC2254，它們分別是單運放和四運放，管腳與LM358及LM324兼容。 TLC2252是德州儀器公司先進的LinCMOSTM工藝制造的雙路運算放大器，它具有滿電源電壓幅度輸出特性，即Rai

12、l to Rail 輸出能力。同時，它具有比現(xiàn)有的CMOS運算放大器更好的失調(diào)電壓指標及功耗指標，TLC2252的性能指標如下：輸入失調(diào)電壓：典型200V，最大1500V輸入失調(diào)電壓溫漂：最大0.5V/C輸入偏置電流：典型1pA輸入阻抗：1012共模輸入電壓：04V共模抑制比：83db轉(zhuǎn)換速率：0.12V/s電源電壓范圍：4.4V16V，可單、雙電源應用輸出能力：Rail to Rail滿幅輸出電源電流：典型單運放通道35A1.5 低壓單電源供電微功耗放大器 對于很多電池供電的儀表，如：智能煤氣表、水表，以及手持電子設備，如數(shù)字萬用表等，它們都嚴格要求系統(tǒng)的低功耗特性，為達到不更換電池而能夠長

13、時間連續(xù)工作的目的，要求整機電流保持在幾十個A的水平上。因此，對于這些設備中使用的放大器，就要嚴格要求它們的供電指標，首先要能夠低電壓單電源供電，工作電流要非常低，最好能夠作到Rail to Rail 輸出。 TI公司的TLV2211就是一款低壓單電源供電微功耗放大器，為減少空間占用，采用了5腳表面貼裝的封裝形式，具體封裝見圖，性能指標如下：輸入失調(diào)電壓：典型0.47mV，最大3mV輸入失調(diào)電壓溫漂：最大1V/C輸入偏置電流：典型1pA輸入阻抗：1012共模輸入電壓：3V供電時，-0.3V2.2V共模抑制比：83db轉(zhuǎn)換速率：0.052V/s電源電壓范圍：2.7V10V，可單、雙電源應用輸出能

14、力：Rail to Rail滿幅輸出電源電流：典型單運放通道13A TLV2211最低能夠工作在2.7V電壓下，如果希望系統(tǒng)在2V時，模擬電路還能夠工作，這時可以選擇TLV2341、TLV2322或者TLV2324，它們分別是單、雙及4運放。 1.6 儀表放大器 由于現(xiàn)場存在各種干擾，尤其是共模干擾比較嚴重，所以普通單端運算放大器無法對信號進行準確的放大。設計者經(jīng)常采用典型的三運放結(jié)構(gòu)來設計高輸入阻抗和高共模抑制比的差動輸入放大器，這樣做電路比較復雜，目前已經(jīng)有許多成品的差動輸入放大器，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是典型的三運放結(jié)構(gòu)，可以直接使用。具體的芯片型號有INA118、AD623和AD627等。它

15、們作為精度高、頻帶寬、共模抑制比高的新型儀表放大器很適合用來完成信號放大的任務，如圖，是INA118的芯片引腳圖，以下以INA118為例說明它們的芯片引腳和功能。最大偏移電壓：50V最大溫漂：0.5V/圖1-9 LOG102頂視圖最大輸入基極電流：5nA最小共模抑制比：110dB輸入過壓保護電壓：40V電源電壓：1.35V18V，可以單電源工作電源電流：350A帶寬：單位增益時為800kHz增益設置范圍：11000穩(wěn)定時間：單位增益時為25s過載恢復時間：20s工作溫度范圍：4085 使用時，在1、8腳之間接入一只反饋電阻Rg來調(diào)整增益，具體Rg=50k/(G1)。REF端可以接入一個參考電位

16、，能夠使輸出平移，在單電源的應用中非常有用，如果輸出以地為基準，則此腳接地 。1.6 可控增益放大器 AD603是一款ADI公司的壓控可變增益高速放大器，使用模擬電壓進行線性的對數(shù)增益控制。廣泛應用于RF/IF的AGC（自動增益控制）放大器、視頻增益控制、A/D轉(zhuǎn)換器量程擴展及信號測量等領域。它采用8腳SOIC或者PDIP封裝，封裝圖見圖1-12 ，主要特點有：在90 MHz帶寬下，在11 dB +31 dB 范圍可控增益；在9 MHz帶寬下，在1dB +31 dB 范圍可控增益；在30 MHz帶寬下，在1 dB +41 dB 范圍可控增益?？刂齐妷簽椴顒臃绞剑唧w應用請讀者參考ADI網(wǎng)站的應

17、用筆記。2 典型運算放大器應用電路典型運算放大器應用電路2.1 運算放大器的基本應用電路 如圖，基本的運算放大器電路有反相放大、同相放大和差動放大三種形式，運放所有其它復雜應用都是由這三種方式組合而來。 圖（a）是基本的反相放大器，輸入輸出關(guān)系：VO=-（R2/R1）*VI，特點是輸出與輸入反相，輸入阻抗較低，具體為：R2/R1。這里的R3是輸入電流平衡電阻，原則上取R3=R1/R2。如果放大器本身輸入阻抗足夠高，輸入偏置電流極小，可以不使用R3。以后的放大器應用電路中可能不使用它，并不再說明。 一般很少簡單應用反相放大方式，而是常利用它做加法運算。如圖，是一個反相放大常用加法器電路，它能夠?qū)?/p>

18、多個信號進行模擬求和運算，輸入輸出關(guān)系：VO=-（RF/R1）*VI1+（RF/R2）*VI2，當然，輸入信號可以多于兩個，如果R1=R2，則是同比例求和，實際應用中可以靈活選擇各輸入端的輸入電阻以獲得具體求和效果。這個電路也經(jīng)常用來做調(diào)零電路，只需要使VI1反相VI2，調(diào)整其中的一個輸入信號即可實現(xiàn)調(diào)零輸出 。這里R3是平衡電阻，具體取R3=RF/R1/R2。 圖（b）是基本的同相單端信號放大器，輸入輸出關(guān)系：VO=（1+R2/R1）*VI，特點是輸入阻抗高，它經(jīng)常直接作為小信號放大器。這里如果取消R1，同時短路R2，它就是一個典型的1：1跟隨器。本例使用的放大器是OP-07，同時還給出了失

19、調(diào)調(diào)零電路，W一般取10K。調(diào)零時需要先短接輸入信號，調(diào)整電位器W使輸出為零即可。 圖（c）是基本的差動信號放大器，這里：R1=R3，R2=R4，它的輸入輸出關(guān)系：VO=（R2/R1）*（VI1-VI2），特點是能夠提供較好的共模抑制能力，但輸入阻抗不高。它經(jīng)常在單電源供電的場合使用，同時很容易用它設計零點遷移或者調(diào)零電路。420mA到01V信號運算轉(zhuǎn)換放大器電路 上圖則是一個反相放大器組合典型應用的例子。它的作用是把一個工業(yè)標準420mA的直流輸入信號轉(zhuǎn)換成一個01V的直流電壓輸出，以供后續(xù)的A/D采樣，這個電路在工業(yè)儀表輸入電路中經(jīng)常采用。運放采用了一片TI的TLC2252，A1設計成增益

20、為0.25的反相放大器，為盡量減小對信號源分流，降低采樣誤差，信號輸入電阻R1可以取的比較大，這里為2M。輸入采樣電阻把420mA的電流信號轉(zhuǎn)換為15V電壓信號，有些變送器可能已經(jīng)能夠直接輸出15V電壓信號，則可以不用RS。使用R3來調(diào)整A1的放大倍數(shù)，就可以獲得負的0.251.25V的直流信號。A2則是加法器，用來調(diào)零，為保證零點穩(wěn)定，零點參考電壓取自基準穩(wěn)壓芯片LM385-1.2。通過調(diào)整R5的觸頭位置，則可以把A1的輸出負向平移，最終獲得01V的直流電壓輸出。 這里需要強調(diào)一點，就是只有這里需要強調(diào)一點，就是只有在純粹的非智能系統(tǒng)中，模擬放大在純粹的非智能系統(tǒng)中，模擬放大器電路才可能使用

21、失調(diào)調(diào)零、系統(tǒng)器電路才可能使用失調(diào)調(diào)零、系統(tǒng)調(diào)零及滿度調(diào)整電位器。而在智能調(diào)零及滿度調(diào)整電位器。而在智能系統(tǒng)中，這些問題可以統(tǒng)一由數(shù)字系統(tǒng)中，這些問題可以統(tǒng)一由數(shù)字校準功能來完成。校準功能來完成。2.2 高輸入阻抗差動輸入放大電路 在許多實際應用的電路中，考慮到剔除信號的共模干擾問題，經(jīng)常要采用差動輸入形式。上小節(jié)圖（c）的差動信號放大器由于輸入阻抗低，難以適應高阻信號源的要求，這時可以采用多運放構(gòu)成的，使用運放同相輸入做緩沖的放大電路。下圖（a）是一種設計方案，它采用了兩只高輸入阻抗運算放大器設計了一個高阻差動放大器。如圖，容易求得：VO=V1*（1+R2/R1）*（-R4/R3）+V2*（

22、1+R4/R3），這里共模電壓干擾Vcom已經(jīng)消除。一般設：R1/R2=R4/R3，則有：VO=（1+R4/R3）*（V2-V1）。此電路設計簡捷，有足夠高的輸入阻抗及共模抑制能力，缺點是要求電阻具有0.1%以上的匹配精度，同時無法靈活調(diào)整放大倍數(shù)。 圖（b）是另一種設計方案，它是典型的三運放形式。VO=（1+2*R2/R1）（V2-V1），調(diào)整R1可以方便地調(diào)整放大倍數(shù)，它具有高輸入阻抗和高共模抑制比的特點。2.3 精密整流放大電路 對于交流信號測量，實際上是要獲得它的有效值，如果采用二極管整流后來檢測，則會有二極管壓降帶來的誤差，這時可以使用運算放大器來設計精密整流電路。 右圖是一個精密半

23、波整流放大電路，這里的兩個整流二極管D1、D2可以看作是放大器的輸出級。當VI0時，由于反相輸入端是虛地，故此R1上的電流是流向運放輸出端的，D2處于截止狀態(tài)，只能通過D1回流，R2上將無電流流過，因此此時VO=0。而當VI0時，A1放大器的反饋回路中，D1導通，D2截止，因此，R2上將沒有電流通過。對于放大器A2，因為R3上并無電流通過，它此時相當于一個跟隨器，因此有：VO=VI。當VI0時，放大器A1的反饋通道里D2導通，D1截止，R2上將有電流通過，因為R1=R2，則A1相當于一個2倍放大器，加載在R3左側(cè)的電壓將為2VI。對于放大器A2，可以輕易推導出VO=（VI-2VI）*（R4/R

24、3）+VI=-VI?？梢姡琕O將永遠輸出正值信號，完成了精密絕對值運算。一個扯淡的全波整流電路，不可用，分析有錯誤！一個扯淡的全波整流電路，不可用，分析有錯誤！2.4 運放擴流電路 理論上，運算放大器的輸出阻抗為零，但并不意味著它具有很大的負載驅(qū)動能力。所有運算放大器的輸出電流都受到放大器芯片設計的限制，一般為幾個mA到50mA左右。在許多實際應用中，比如驅(qū)動揚聲器，這是不夠的。為了獲得足夠大的驅(qū)動電流，可以在運放的輸出加裝推挽工作的跟隨器電路，具體見圖。它是一個同相放大電路，輸出VO=（1+R2/R1）*VI。在射極跟隨器的輸入端，考慮到基射極之間約0.6V左右的壓降，用二極管D1和D2把運

25、放的輸出電壓移動了0.6V左右。電阻R3和R4是為三極管提供基極電流的，可以根據(jù)實際應用選擇阻值。電阻R5和R6是防短路限流電阻，需要有足夠的功率。2.5 直流恒流源電路 在電阻測量、光功率測量以及信號傳輸系統(tǒng)中，都需要使用恒流源。精密穩(wěn)定的恒流源都是使用高穩(wěn)定的基準源配合運算放大器設計的。如圖最簡單的恒流源就是使用反相放大器的反饋回路，這個電路可以用來測量電阻。它使用基準源LM336-2.5做負相基準，在R1上有恒定電流I=2.5/R1通過，則放大器輸出Vo=Rx*（2.5/R1），合理選取R1，就可以獲得合適的輸出。例如要測量02K范圍的電阻，則取R1=2.5K，可以獲取02V的對應線性輸出。 上圖的電路雖然簡單，但是它需要使用雙電源，并且不宜把反饋回路引出到距離放大器太遠的位置，否則可能因為引入干擾造成寄生振蕩。常用的是下圖中的兩個電路，他們可以提供對正電源和對地的恒流。它們的恒流原理極其簡單，以圖（a）為例分析，因為同相端接入了固定的基準源LM385-1.2，因此運放在閉環(huán)負反饋的情況下，反相端的電位與同相端相等，因此可知電阻R2上的壓降就是基準源的穩(wěn)壓值，則晶體管的IE=VR/R1。若忽略晶體管的基極電流，則有：I= VR/R1。需要指出的是，為能夠在單電源供電的系統(tǒng)