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运算放大器

2017-1-4 17:55| 发布者: 佚名| 查看: 316| 评论: 0

摘要: 运放(operational amplifier,简称OPA)能对信号进行数学运算的放大电路。它曾是模拟计算机的基础部件,因而得名。采用集成电路工艺制做的运算放大器,除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外,还具有精巧、廉 ...


运放(operational amplifier,简称OPA)能对信号进行数学运算的放大电路。它曾是模拟计算机的基础部件,因而得名。采用集成电路工艺制做的运算放大器,除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外,还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点,因而在有源滤波器、开关电容电路、数-模和模-数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换,以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。

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是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。

集成运算放大器的分类

按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。

通用型

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mA741(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。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

高阻型

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>(109~1012)W,IIB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LF356、LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

低温漂型

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OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

高速型

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、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

低功耗型

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50~250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

高压大功率型

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,mA791集成运放的输出电流可达1A。

使用说明

正确选择集成运算放大器

集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种器件。在由运算放大器组成的各种系统中,由于应用要求不一样,对运算放大器的性能要求也不一样。

在没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运放,这样既可降低成本,又容易保证货源。当一个系统中使用多个运放时,尽可能选用多运放集成电路,例如LM324、LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路。

评价集成运放性能的优劣,应看其综合性能。一般用优值系数K来衡量集成运放的优良程度,其定义为:式中,SR为转换率,单位为V/ms,其值越大,表明运放的交流特性越好;Iib为运放的输入偏置电流,单位是nA;VOS为输入失调电压,单位是mV。Iib和VOS值越小,表明运放的直流特性越好。所以,对于放大音频、视频等交流信号的电路,选SR(转换速率)大的运放比较合适;对于处理微弱的直流信号的电路,选用精度比较的高的运放比较合适(既失调电流、失调电压及温飘均比较小)。

实际选择集成运放时,除优值系数要考虑之外,还应考虑其他因素。例如信号源的性质,是电压源还是电流源;负载的性质,集成运放输出电压和电流的是否满足要求;环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求。

使用要点

1.集成运放的电源供给方式

集成运放有两个电源接线端+VCC和-VEE,但有不同的电源供给方式。对于不同的电源供给方式,对输入信号的要求是不同的。

(1)对称双电源供电方式

运算放大器多采用这种方式供电。相对于公共端(地)的正电源(+E)与负电源(-E)分别接于运放的+VCC和-VEE管脚上。在这种方式下,可把信号源直接接到运放的输入脚上,而输出电压的振幅可达正负对称电源电压。

(2)单电源供电方式

单电源供电是将运放的-VEE管脚连接到地上。此时为了保证运放内部单元电路具有合适的静态工作点,在运放输入端一定要加入一直流电位,如图3.2.1所示。此时运放的输出是在某一直流电位基础上随输入信号变化。对于图3.2.1交流放大器,静态时,运算放大器的输出电压近似为VCC/2,为了隔离掉输出中的直流成分接入电容C3。

图3.2.1 运算放大器单电源供电电路

2.集成运放的调零问题

由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。下面以mA741为例,图3.2.2给出了常用调零电路。图3.2.2(a)所示的是内部调零电路;图(b)是外部调零电路。

3.集成运放的自激振荡问题

运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器,在接成深度负反馈条件下,很容易产生自激振荡。为使放大器能稳定的工作,就需外加一定的频率补偿网络,以消除自激振荡。图3.2.3是相位补偿的使用电路。

图3.2.2 运算放大器的常用调零电路 图3.2.3 运算放大器的自激消除

另外,防止通过电源内阻造成低频振荡或高频振荡的措施是在集成运放的正、负供电电源的输入端对地一定要分别加入一电解电容(10mF)和一高频滤波电容(0.01mF~0.1mF)。如图3.2.3所示。

4.集成运放的保护问题

集成运放的安全保护有三个方面:电源保护、输入保护和输出保护。

(1)电源保护。电源的常见故障是电源极性接反和电压跳变。电源反接保护和电源电压突变保护电路见图 3.2.4(a)、(b)所示。对于性能较差的电源,在电源接通和断开瞬间,往往出现电压过冲。图(b)中采用FET电流源和稳压管钳位保护,稳压管的稳压值大于集成运放的正常工作电压而小于集成运放的最大允许工作电压。FET管的电流应大于集成运放的正常工作电流。

(2)输入保护。集成运放的输入差模电压过高或者输入共模电压过高(超出该集成运放的极限参数范围),集成运放也会损坏。图3.2.5 所示是典型的输入保护电路。

图3.2.4 集成运放电源保护电路 图3.2.5 集成运放输入保护电路

(3)输出保护。当集成运放过载或输出端短路时,若没有保护电路,该运放就会损坏。但有些集成运放内部设置了限流保护或短路保护,使用这些器件就不需再加输出保护。对于内部没有限流或短路保护的集成运放,可以采用图3.2.6所示的输出保护电路。在图3.2.6电路中,当输出保护时,由电阻R起限流保护作用。





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