集成運(yùn)放的選用

集成運(yùn)放的選用問題集成運(yùn)放組成放大電路根據(jù)輸入組態(tài)的不同，分為反相輸入放大器、同相輸入放大器和差動輸入放大器。由于運(yùn)放組成放大電路應(yīng)用在不同的場合，對運(yùn)放的各個參數(shù)的選擇有很大的區(qū)別。除通用運(yùn)放外，有多種特殊運(yùn)放可供選擇。在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)的不同，合理選用芯片，然后設(shè)計外接元器件，使之達(dá)到設(shè)計要求。我們在分析運(yùn)放電路，研究輸出輸入關(guān)系時將運(yùn)放視為理想運(yùn)放，使運(yùn)放的選用和外接元器件設(shè)計計算變得簡單。但在設(shè)計和應(yīng)用時應(yīng)注意以下五個問題。1.集成運(yùn)放外接電阻選取平衡電阻的選取平衡電阻的選取是為了保證運(yùn)放“零輸入一零輸出”，使之兩輸入端對地等效電阻相等。具體選擇方法在設(shè)計中加以說明。如在圖 1電路中RRP=Rf//R1。外接電阻選取一般集成運(yùn)放最大輸出電流Iom為3?10mA，在組成放大電路時，應(yīng)使運(yùn)放處于負(fù)反饋組態(tài)。反饋電阻跨接在輸出端和輸入端之間。輸出電壓一般為伏級，在空載的情況下，應(yīng)使運(yùn)放輸出電流不超過Iom。以圖3.1.1所示反相輸入組態(tài)的反相比例放大器為例，if應(yīng)滿足下式所以RF至少要取千歐數(shù)量級，若置Rf和R1取值太小，會增加信號源負(fù)載。外接電阻亦不能取得過大，如選用MQ級亦不合適。其原因有二：①電阻值是有誤差的，阻值越大，絕對誤差值越大。如2MQ的電阻E1：系列電阻誤差值為：10%，其阻值(2.2?1.8)MQ范圍均是允許的，即使選E4s系列的電阻(誤差為：2%)阻值范圍在(2.04?1.96)MQ之內(nèi)；且電阻值會隨溫度和時間的變化而產(chǎn)生時效誤差，使阻值不穩(wěn)定，影響運(yùn)算精度；②運(yùn)放的微小失調(diào)電流會在外接高阻值電阻上引起較大的誤差信號。所以運(yùn)放外接電阻值盡可能選用幾千歐至幾百千歐之間。正確選用集成運(yùn)放的型號集成運(yùn)放種類和型號繁多，依據(jù)其性能參數(shù)的不同分為通用型和專用型兩大類。專用型運(yùn)放有：①高輸入阻抗型；②低漂移型；③高速型；?低功耗型；⑤高壓型；⑥大功率型；⑦電壓比較器等。在進(jìn)行電路設(shè)計時選用何種類型和型號，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)對電路的要求加以確定。在通用型可以滿足要求時，應(yīng)盡量選用通用型，因其價格低、易于購買。專用型運(yùn)放是某一項(xiàng)性能指標(biāo)較高的運(yùn)放，它的其他性能指標(biāo)不一定高，有時甚至可能比通用型運(yùn)放還低，選用時應(yīng)充分注意。此外，選用時除滿足主要技術(shù)性能參數(shù)外，還應(yīng)考慮性能價格比。性能指標(biāo)高的運(yùn)放，價格也會較高。在選用時無特殊要求，應(yīng)優(yōu)先選用通用型和多運(yùn)放型的芯片。儀用放大器（測量放大器）因其內(nèi)部電阻經(jīng)激光修正、內(nèi)部電路對稱性好、具有極好的動態(tài)響應(yīng)和精度，選用它們可簡化外接電路、提高系統(tǒng)可靠性、提高精度。性能參數(shù)的正確使用運(yùn)放的各種性能參數(shù)都是在一定的環(huán)境條件下測定的，當(dāng)外部環(huán)境或條件發(fā)生變化時，性能參數(shù)會發(fā)生變化。在設(shè)汁選用時，應(yīng)注意性能參數(shù)的測試條件，尤其是對環(huán)境條件敏感的參數(shù)如輸入失調(diào)電壓Uio、輸入失調(diào)電流Iio、溫漂dUio/dT、dlio/dT等。根據(jù)運(yùn)放的特性不同，手冊中給出的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。高速運(yùn)放的許多參數(shù)都與頻率有關(guān)。不少參數(shù)與直流供電電壓有關(guān)，且有較大變化，如單位增益帶寬、開環(huán)增益、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流等。例如高速JFET運(yùn)放AD825A，在電源電壓為+15V時，單位增益帶寬最小值為23MHz，典型值為26MHz；開環(huán)增益最小值為72dB，典型值為74dB；輸入失調(diào)電流典型值為20pA，最大值30pA。而在+5V時，單位增益帶寬最小值為18MHz，典型值為21MHz；開環(huán)增益最小值為64dB，典型值為66dB；輸入失調(diào)電流典型值為15pA，最大值25pA。不少運(yùn)放直流供電電源允許在一定范圍內(nèi)選擇，而手冊僅給出典型供電電源電壓下的參數(shù)值，因此在選用運(yùn)放時，應(yīng)根據(jù)運(yùn)放實(shí)際電源電壓對參數(shù)留有一定裕量。集成運(yùn)放的諸多參數(shù)中，最重要的是增益帶寬積G.BW、轉(zhuǎn)換速率和最大共模輸入電壓Uicm三個參數(shù)。下面分別介紹在設(shè)計運(yùn)放電路時對這三個參數(shù)運(yùn)用應(yīng)注意的問題。波形的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換電路設(shè)計與調(diào)試各種電器設(shè)備要正常工作，常常需要各種波形信號的支持。電器設(shè)備中常用的信號有正弦波、矩形波、三角波和鋸齒波等。在電器設(shè)備中，這些信號是由波形產(chǎn)生和變換電路來提供的。波形產(chǎn)生電路是一種不需外加激勵信號就能將直流能源轉(zhuǎn)化成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出電路，又稱為振蕩器或波形發(fā)生器。通過與波形變換電路相結(jié)合，它能產(chǎn)生正弦波、矩形波、三角波和階梯波等各種波形，能滿足現(xiàn)代測量、通信、自動控制和熱加工、音視頻設(shè)備及數(shù)字系統(tǒng)等對各種信號源的需求。眾所周知，振蕩電路即波形產(chǎn)生電路，不需外加輸入信號就有穩(wěn)定輸出信號，故又稱自激振蕩電路。要使電路產(chǎn)生自激振蕩必須滿足AF-A七'F匕啊=1 (40-1)式中，』為振蕩電路放大倍數(shù)；戶為反饋系數(shù)n要使電路產(chǎn)生振蕩必須同時滿足振幅起振條件和相位起振條件江振帽起振條件：幅度上反饋電壓樸必須大于反饋電路凈輸入電壓慶卜即要求\AF\>X (4,0.2)相位起振條件：反饋電壓與輸入電壓同相，也就是電路呈正反饋組態(tài)”隊(duì)+俐=2邛打(n=0t1,2t■■') (4.0.3)振蕩電路起振后，經(jīng)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)作用使電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，振蕩管工作于線性放大區(qū)，振蕩電路滿足振幅平衡條件和相位平衡條件\AF\=1 (4.0.4)fpui-ipf=2nir(n-Ot1b2,■■') (40-5)目前廣泛應(yīng)用的電壓型集成運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運(yùn)算放大器可非常方便的完成信號放大、信號運(yùn)算(加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等)、信號的處理(濾波、調(diào)制)以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運(yùn)算放大器的種類非常多，可適用于不同的場合。3.2.1集成運(yùn)算放大器的分類按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點(diǎn)是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場效應(yīng)管組成運(yùn)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、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。高速型運(yùn)算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)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(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、mA715等，其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。低功耗型運(yùn)算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)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(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級，例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)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(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)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(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V,mA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。3.2.2正確選擇集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件。在由運(yùn)算放大器組成的各種系統(tǒng)中，由于應(yīng)用要求不一樣，對運(yùn)算放大器的性能要求也不一樣。在沒有特殊要求的場合，盡量選用通用型集成運(yùn)放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當(dāng)一個系統(tǒng)中使用多個運(yùn)放時,盡可能選用多運(yùn)放集成電路，例如LM324、LF347等都是將四個運(yùn)放封裝在一起的集成電路。評價集成運(yùn)放性能的優(yōu)劣，應(yīng)看其綜合性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來衡量集成運(yùn)放的優(yōu)良程度，其定義為：X式中,SR為轉(zhuǎn)換率,單位為V/ms,其值越大，表明運(yùn)放的交流特性越好;Iib為運(yùn)放的輸入偏置電流,單位是nA;VOS為輸入失調(diào)電壓,單位是mV。Iib和VOS值越小，表明運(yùn)放的直流特性越好。所以，對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，選SR（轉(zhuǎn)換速率）大的運(yùn)放比較合適;對于處理微弱的直流信號的電路，選用精度比較的高的運(yùn)放比較合適（既失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫飄均比較?。?。實(shí)際選擇集成運(yùn)放時，除優(yōu)值系數(shù)要考慮之外，還應(yīng)考慮其他因素。例如信號源的性質(zhì),是電壓源還是電流源;負(fù)載的性質(zhì)，集成運(yùn)放輸出電壓和電流的是否滿足要求;環(huán)境條件，集成運(yùn)放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。3.2.3集成運(yùn)算放大器的使用要點(diǎn)集成運(yùn)放的電源供給方式集成運(yùn)放有兩個電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對于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(yùn)算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源（+E）與負(fù)電源（-E）分別接于運(yùn)放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號源直接接到運(yùn)放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對稱電源電壓。（2） 單電源供電方式單電源供電是將運(yùn)放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運(yùn)放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在運(yùn)放輸入端一定要加入一直流電位，如圖3.2.1所示。此時運(yùn)放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號變化。對于圖3.2.1交流放大器,靜態(tài)時，運(yùn)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(yùn)算放大器單電源供電電路集成運(yùn)放的調(diào)零問題由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號為零時,輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度，要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零，而對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運(yùn)放,要采用外部調(diào)零方法。下面以mA741為例，圖3.2.2給出了常用調(diào)零電路。圖3.2.2(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路；圖(b)是外部調(diào)零電路。集成運(yùn)放的自激振蕩問題運(yùn)算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，在接成深度負(fù)反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作，就需外加一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以消除自激振蕩。圖3.2.3是相位補(bǔ)償?shù)氖褂秒娐?。YXliiJrfjate防盜鏈系統(tǒng)■■ 詰不要淀鏈「rim-昨】天世3：玄史右圖3.2.2運(yùn)算放大器的常用調(diào)零電路 圖3.2.3運(yùn)算放大器的自激消除另外,防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運(yùn)放的正、負(fù)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。集成運(yùn)放的保護(hù)問題集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個方面：電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)。（1） 電源保護(hù)。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(hù)和電源電壓突變保護(hù)電路見圖3.2.4（a）、（b）所示。對于性能較差的電源，在電源接通和斷開瞬間，往往出現(xiàn)電壓過沖。圖（b）中采用FET電流源和穩(wěn)壓管鉗位保護(hù)，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值大于集成運(yùn)放的正常工作電壓而小于集成運(yùn)放的最大允許工作電壓。FET管的電流應(yīng)大于集成運(yùn)放的正常工作電流。（2） 輸入保護(hù)。集成運(yùn)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(yùn)放的極限參數(shù)范