運算放大器的分類與運算放大器在使用中的注意事項

2020-11-22 電子發燒友

　　運算放大器（常簡稱為「運放」）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。由於早期應用於模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名「運算放大器」，此名稱一直延續至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體晶片當中。隨著半導體技術的發展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用於幾乎所有的行業當中。實際運算放大器的增益是有限值，而且隨頻率的升高而降低；其輸入阻抗不是無窮大，輸出阻抗也不等於零。

　　

　　運算放大器的分類：

　　為滿足實際使用中對集成運放性能的特殊要求，除性能指標比較適中的通用型運放外，發展了適應不同需要的專用型集成運放。它們在某些技術指標上比較突出。

　　根據運算放大器的技術指標可以對其進行分類，主要有通用、高速、寬帶、高精度、高輸入電阻和低功耗等幾種。

　　1. 通用型

　　通用型運算放大器的技術指標比較適中，價格低廉。通用型運放也經過了幾代的演變，早期的通用Ⅰ型運放已很少使用了。以典型的通用型運放CF741（mA741）為例，輸入失調電壓1～2mV、輸入失調電流20nA、差模輸入電阻2MW，開環增益100dB、共模抑制比90dB、輸出電阻75W、共模輸入電壓範圍±13 V、轉換速率0.5V/ms。

　　2. 高速型和寬帶型

　　用於寬頻帶放大器、高速A/D和D/A，高速數據採集測試系統。這種運放的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較高，用於小信號放大時，可注重fH或fc，用於高速大信號放大時，同時還應注重SR。

　　例如：

　　

　　3. 高精度（低漂移型）

　　用於精密儀表放大器，精密測試系統，精密傳感器信號變送器等。

　　例如：

　　

　　4. 高輸入阻抗型

　　用於測量設備及採樣保持電路中。

　　例如：

　　

　　5. 低功耗型

　　用於空間技術和生物科學研究中，工作於較低電壓下，工作電流微弱。

　　例如： OP22 正常工作時，靜態功耗可低至36μW。

　　OP290 在±0.8V電壓下工作，功耗為24μW。

　　CF7612 在±5V電壓下工作，功耗為50μW。

　　6. 功率型

　　這種運放的輸出功率可達1W以上，輸出電流可達幾個安培以上。

　　例如： LM12 I0 ＝ 10A

　　TP1465 I0 ＝ 0.75A

　　運算放大器使用的注意事項

　　運算放大器是作為最通用的模擬器件，廣泛用於信號變換調理、ADC採樣前端、電源電路等場合中。雖然運放外圍電路簡單，不過在使用過程中還是有很多需要注意的地方。

　　1、注意輸入電壓是否超限

　　圖1是ADI的OP07數據表中的輸入電氣特性的一部分，可以看到在電源電壓±15V的條件下，輸入電壓的範圍是±13.5V，如果輸入電壓超出範圍，那麼運放就會工作不正常，出現一些意料不到的情況。

　　而有一些運放標註的不是輸入電壓範圍，而是共模輸入電壓範圍，如圖1-2是TI的TLC2272數據表的一部分，在單電源+5V的條件下，共模輸入範圍是0-3.5V.其實由於運放正常工作時，同相端和反相端輸入電壓基本是一致的（虛短虛斷），所以「輸入電壓範圍」與「共模輸入電壓範圍」都是一樣的意思。

　　

　　2、不要在運放輸出直接並接電容

　　在直流信號放大電路中，有時候為了降低噪聲，直接在運放輸出並接去耦電容（如圖2-1）。雖然放大的是直流信號，但是這樣做是很不安全的。當有一個階躍信號輸入或者上電瞬間，運放輸出電流會比較大，而且電容會改變環路的相位特性，導致電路自激振蕩，這是我們不願意看到的。

　　正確的去耦電容應該要組成RC電路，就是在運放的輸出端先串入一個電阻，然後再並接去耦電容（如圖2-2）。這樣做可以大大削減運放輸出瞬間電流，也不會影響環路的相位特性，可以避免振蕩。

　　

　　3、不要在放大電路反饋迴路並接電容

　　如圖3-1所示，同樣是一個用於直流信號放大的電路，為了去耦，不小心把電容並接到了反饋迴路，反饋信號的相位發生了改變，很容易就會發生振蕩。所以，在放大電路中，反饋迴路不能加入任何影響信號相位的電路。由此延伸至穩壓電源電路，如圖3-2，並接在反饋腳的C3是錯誤的。為了降低紋波，可以把C3與R1並聯，適當增大紋波的負反饋作用，抑制輸出紋波。

　　

　　4、注意運放的輸出擺幅

　　任何運放都不可能是理想運放，輸出電壓都不可能達到電源電壓，一般基於MOS的運放都是軌對軌運放，在空載情況下輸出可以達到電源電壓，但是輸出都會帶一定的負載，負載越大，輸出降落越多。基於三極體的運放輸出幅度的相對值更小，有的運放輸出幅度比電源電壓要小2~6V，比如NE5532.圖4-1就是TI的TLC2272在+5V供電的輸出特性，它屬於軌對軌運放，如果用該器件作為ADC採樣的前級放大（如圖4-2），單電源+5V供電，那麼當輸入接近0V的時候，輸入和輸出變得非線性的了。解決的方法是引入負電源，比如在4腳加入-1V的負電源，這樣在整個輸入範圍內，輸出與輸入都是線性的了。

　　

　　5、注意反饋迴路的Layout

　　反饋迴路的元器件必須要靠近運放，而且PCB走線要儘量短，同時要儘量避開數位訊號、晶振等幹擾源。反饋迴路的布局布線不合理，則會容易引入噪聲，嚴重會導致自激振蕩。

　　6、要重視電源濾波

　　運放的電源濾波不容忽視，電源的好壞直接影響輸出。特別是對於高速運放，電源紋波對運放輸出幹擾很大，弄不好就會變成自激振蕩。所以最好的運放濾波是在運放的電源腳旁邊加一個0.1uF的去耦電容和一個幾十uF的鉭電容，或者再串接一個小電感或者磁珠，效果會更好。

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