在學(xué)習運放選型前，我們需要先來(lái)透測的學(xué)習運放電路的內部結構和原理，對于我們來(lái)說(shuō)運算放大器是模擬電路中十分重要的元件，它能組成放大、加法、減法、轉換等各種電路，我們可以運用運放的“虛短”和“虛斷”來(lái)分析電路，然后應用歐姆定律等電流電壓關(guān)系，即可得輸入輸出的放大關(guān)系等。

 

由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 V。因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當于“短路”。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等。“虛短”是指在分析運算放大器處于線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱(chēng)為虛假短路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。

 

由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\放的兩輸入端視為開(kāi)路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開(kāi)路。“虛斷”是指在分析運放處于線(xiàn)性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。

 

下面本文用虛斷和虛斷方法來(lái)對實(shí)際的電路進(jìn)行分析，如圖1-1所示，是常見(jiàn)的反相比例運算放大電路：

 

圖1-1.方向比例運算放大電路
 

在反相放大電路中，信號電壓通過(guò)電阻R1加至運放的反相輸入端，輸出電壓Vo通過(guò)反饋電阻Rf反饋到運放的反相輸入端，構成電壓并聯(lián)負反饋放大電路。

 

運放的同相端接地=0V，反相端和同相端虛短，所以也是0V，反相輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒(méi)有電流注入和流出，那么R1和Rf相當于是串聯(lián)的，流過(guò)一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過(guò)R1的電流和流過(guò)Rf的電流是相同的。

 

 

Is= (Vs- V-)/R1……......…（1）

 

If= (V- - Vo)/Rf……...........（2）

 

V- = V+ = 0 ……......………（3）

 

Is= If ……………......………（4）

 

求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi

 

在分析電路的過(guò)程中，暫時(shí)不用管運放的其他特性，就根據虛短和虛斷的特性來(lái)分析。當然，若運放不工作在放大區時(shí)，不滿(mǎn)足虛短和虛斷發(fā)條件，不能使用此種方法來(lái)分析，如比較器。

 

如下圖1-2，是運放實(shí)現的加法器，用虛短和虛斷的方法來(lái)分析此電路。

 

圖1-2.運放實(shí)現的加法器
 

由于電路存在虛短，運放的凈輸入電壓vI=0，反相端為虛地。

 

vI=0，vN=0…………………............................（5）

 

反相端輸入電流iI=0的概念，通過(guò)R2與R1的電流之和等于通過(guò)Rf的電流故

 

(Vs1 – V-)/R1 + (Vs2 – V-)/R2 = (V- –Vo)/Rf....（6）

 

如果取R1=R2=R3，由a，b兩式解得

 

-Vout=Vs1+Vs………..................................……（7）

 

式（7）中負號為反相輸入所致，若再接一級反相電路，可消去負號。

 

簡(jiǎn)言之，虛短是運放正輸入端和負輸入端的電壓相等，近似短路；虛斷是流入正負輸入端的電流為0。只要掌握了這一點(diǎn)，再運用歐姆定律，即可很容易的分析同相比例放大電路，反向比例放大電路等常用的運放放大電路。

 

 

下面分類(lèi)介紹什么情況下選擇什么樣的運放。

 

 

通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。例mA741(單運放)、LM358(雙運放)、LM324(四運放)，它們是目前應用最為廣泛的集成運算放大器。

 

 

精密運算放大器一般指失調電壓低于1mV的運放，對于直流輸入信號，輸入失調電壓(VOS)和它的溫漂小就行，但對于交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。在傳感器類(lèi)型和(或)其使用環(huán)境帶來(lái)許多特別要求時(shí)，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和(或)在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，運算放大器的選擇就會(huì )變得特別困難。精密放大電路會(huì )多一些電源去耦，濾波等特殊設計的電路。主要區別在于運算放大器上，精密運算放大器的性能比一般運放好很多，比如開(kāi)環(huán)放大倍數更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調電壓或失調電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運放的性能遠不是一般運算放大器可以比得，一般運放的失調往往是幾個(gè)mV，而精密運放可以小到1uV的水平。要放大微小的信號，必須用精密運放，用了一般的運放，它自身都會(huì )帶入很大的干擾。要通過(guò)外圍電路改善，小幅或者微調可以，但無(wú)法大幅度或者徹底改變。最常用的精密運放就是OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的還有很多，比如美國AD公司的產(chǎn)品，很多都是OPA帶頭的。

 

 

 

高阻型集成運算放大器的特點(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)現這些指標的主要措施是利用場(chǎng)效應管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應管組成運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),但輸入失調電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347(四運放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

 

 

在精密儀器、弱信號檢測等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。

 

 

高速型運放在快速A/D和D/A轉換器、視頻放大器中,要求集成運算放大器的轉換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運放是不能適合于高速應用的場(chǎng)合的。高速型運算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見(jiàn)的運放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

 

 

低功耗型運放由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復雜電路小型輕便,所以隨著(zhù)便攜運算放大器式儀器應用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有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)品功耗已達微瓦級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節電池供電。

 

 

 

高壓大功率型運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中,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,集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運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集成運放的電源電壓可達±150V,mA791集成運放的輸出電流可達1A。

 

相信通過(guò)上面的介紹，對不同使用條件下是否能使用同一種運放，顯然是比較清楚的，實(shí)際選擇集成運放時(shí),還應考慮其他因素。例如信號源的性質(zhì),是電壓源還是電流源;負載的性質(zhì),集成運放輸出電壓和電流的是否滿(mǎn)足要求;環(huán)境條件,集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿(mǎn)足要求。

 

最后再贈送大家一些評價(jià)運放的小經(jīng)驗，評價(jià)集成運放性能的優(yōu)劣,應看其綜合性能。SR為轉換率,單位為V/ms,其值越大,表明運放的交流特性越好;Iib為運放的輸入偏置電流,單位是nA;VOS為輸入失調電壓,單位是mV。Iib和VOS值越小,表明運放的直流特性越好。所以,對于放大音頻、視頻等交流信號的電路,選SR(轉換速率)大的運放比較合適;對于處理微弱的直流信號的電路,選用精度比較的高的運放比較合適(既失調電流、失調電壓及溫飄均比較小)。在沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合,盡量選用通用型集成運放,這樣既可降低成本,又容易保證貨源。當一個(gè)系統中使用多個(gè)運放時(shí),盡可能選用多運放集成電路,例如LM324、LF347等都是將四個(gè)運放封裝在一起的集成電路。



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