集成运放的选用

集成运放的选用问题集成运放组成放大电路根据输入组态的不同，分为反相输入放大器、同相输入放大器和差动输入放大器。由于运放组成放大电路应用在不同的场合，对运放的各个参数的选择有很大的区别。除通用运放外，有多种特殊运放可供选择。在设计时应根据设计任务的不同，合理选用芯片，然后设计外接元器件，使之达到设计要求。我们在分析运放电路，研究输出输入关系时将运放视为理想运放，使运放的选用和外接元器件设计计算变得简单。但在设计和应用时应注意以下五个问题。1.集成运放外接电阻选取平衡电阻的选取平衡电阻的选取是为了保证运放“零输入一零输出”，使之两输入端对地等效电阻相等。具体选择方法在设计中加以说明。如在图 1电路中RRP=Rf//R1。外接电阻选取一般集成运放最大输出电流Iom为3〜10mA，在组成放大电路时，应使运放处于负反馈组态。反馈电阻跨接在输出端和输入端之间。输出电压一般为伏级，在空载的情况下，应使运放输出电流不超过Iom。以图3.1.1所示反相输入组态的反相比例放大器为例，if应满足下式所以RF至少要取千欧数量级，若置Rf和R1取值太小，会增加信号源负载。外接电阻亦不能取得过大，如选用MQ级亦不合适。其原因有二：①电阻值是有误差的，阻值越大，绝对误差值越大。如2MQ的电阻E1：系列电阻误差值为：10%，其阻值(2.2〜1.8)MQ范围均是允许的，即使选E4s系列的电阻(误差为：2%)阻值范围在(2.04〜1.96)MQ之内；且电阻值会随温度和时间的变化而产生时效误差，使阻值不稳定，影响运算精度；②运放的微小失调电流会在外接高阻值电阻上引起较大的误差信号。所以运放外接电阻值尽可能选用几千欧至几百千欧之间。正确选用集成运放的型号集成运放种类和型号繁多，依据其性能参数的不同分为通用型和专用型两大类。专用型运放有：①高输入阻抗型；②低漂移型；③高速型；®低功耗型；⑤高压型；⑥大功率型；⑦电压比较器等。在进行电路设计时选用何种类型和型号，应根据系统对电路的要求加以确定。在通用型可以满足要求时，应尽量选用通用型，因其价格低、易于购买。专用型运放是某一项性能指标较高的运放，它的其他性能指标不一定高，有时甚至可能比通用型运放还低，选用时应充分注意。此外，选用时除满足主要技术性能参数外，还应考虑性能价格比。性能指标高的运放，价格也会较高。在选用时无特殊要求，应优先选用通用型和多运放型的芯片。仪用放大器（测量放大器）因其内部电阻经激光修正、内部电路对称性好、具有极好的动态响应和精度，选用它们可简化外接电路、提高系统可靠性、提高精度。性能参数的正确使用运放的各种性能参数都是在一定的环境条件下测定的，当外部环境或条件发生变化时，性能参数会发生变化。在设汁选用时，应注意性能参数的测试条件，尤其是对环境条件敏感的参数如输入失调电压Uio、输入失调电流Iio、温漂dUio/dT、dlio/dT等。根据运放的特性不同，手册中给出的侧重点也有所不同。高速运放的许多参数都与频率有关。不少参数与直流供电电压有关，且有较大变化，如单位增益带宽、开环增益、输入失调电压、输入失调电流等。例如高速JFET运放AD825A，在电源电压为+15V时，单位增益带宽最小值为23MHz，典型值为26MHz；开环增益最小值为72dB，典型值为74dB；输入失调电流典型值为20pA，最大值30pA。而在+5V时，单位增益带宽最小值为18MHz，典型值为21MHz；开环增益最小值为64dB，典型值为66dB；输入失调电流典型值为15pA，最大值25pA。不少运放直流供电电源允许在一定范围内选择，而手册仅给出典型供电电源电压下的参数值，因此在选用运放时，应根据运放实际电源电压对参数留有一定裕量。集成运放的诸多参数中，最重要的是增益带宽积G.BW、转换速率和最大共模输入电压Uicm三个参数。下面分别介绍在设计运放电路时对这三个参数运用应注意的问题。波形的产生、转换电路设计与调试各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等。在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。波形产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转化成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，又称为振荡器或波形发生器。通过与波形变换电路相结合，它能产生正弦波、矩形波、三角波和阶梯波等各种波形，能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。众所周知，振荡电路即波形产生电路，不需外加输入信号就有稳定输出信号，故又称自激振荡电路。要使电路产生自激振荡必须满足AF-A七'F匕啊=1 (40-1)式中，』为振荡电路放大倍数；户为反馈系数n要使电路产生振荡必须同时满足振幅起振条件和相位起振条件江振帽起振条件：幅度上反馈电压朴必须大于反馈电路净输入电压庆卜即要求\AF\>X (4,0.2)相位起振条件：反馈电压与输入电压同相，也就是电路呈正反馈组态”队+俐=2邛打(n=0t1,2t■■') (4.0.3)振荡电路起振后，经稳幅环节作用使电路处于稳定状态，振荡管工作于线性放大区，振荡电路满足振幅平衡条件和相位平衡条件\AF\=1 (4.0.4)fpui-ipf=2nir(n-Ot1b2,■■') (40-5)目前广泛应用的电压型集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放大器。在该集成电路的输入与输出之间接入不同的反馈网络，可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可非常方便的完成信号放大、信号运算(加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等)、信号的处理(滤波、调制)以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多，可适用于不同的场合。3.2.1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>（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。目前常用的高精度、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、mA715等，其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。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50~250mA。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。3.2.2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，这样即可降低成本，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：X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。3.2.3集成运算放大器的使用要点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。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。YXliiJrfjate防盗链系统■■ 诘不要淀链「rim-昨】天世3：玄史右图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。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