运算放大器的基础知识和应用介绍

运算放大器可以说是模拟电子电路中最有用的单一器件。当你在电路中应用它们时，你必须知道它们的基础和功能。

一、简介

至于运算放大器的功能，在电子电路中，它通常与反馈网络相结合，形成一定的功能模块，具有特殊的耦合电路和反馈。其输出信号可以是输入信号的加法、减法或微分、积分等，早期用于模拟计算机进行数学运算。现在它们广泛应用于电子行业，被视为精密交直流放大器、有源滤波器、振荡器和电压比较器。

1.1 集成运放

1.1.1 评价分析

集成运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的器件之一。在各种系统中，由于应用要求不同，对运算放大器的性能要求也不同。

在没有特殊要求的地方，尽量使用通用的集成运放，这样可以降低成本，更换方便。在一个系统中使用多个运算放大器时，应使用尽可能多的运算放大器集成电路。例如，LM324 和 LF347 总是将四个运算放大器集成在一个电路中。

集成运算放大器的评估取决于它们的整体性能。一般用优值系数K来衡量集成运算放大器的优良程度，定义为： 式中SR为压摆率，单位为V/ms。数值越大，运算放大器的交流特性越好；放大器的输入偏置电流为lib，单位为nA；VOS 是以 mV 为单位的输入失调电压。Iib 和 VOS 值越小，运放的直流特性越好。因此，对于放大音频、视频等交流信号的电路，SR大的运放比较好；对于处理弱直流信号的电路，精度较高的运算放大器更适合（失调电流、失调电压和温度漂移都比较小）。

选择集成运放时，除了优值系数K外，还应考虑一些因素。例如，信号源是电压源还是电流源；负载的性质，集成运放的输出电压和电流是否满足要求；集成运算放大器的工作电压范围、功耗和体积。

图 1：使用运算放大器作为比较器

1.1.2 集成运算放大器基础知识

电源

集成运放有两个电源端+VCC和-VEE，供电方式不同。对于不同的供电方式，对输入信号的要求是不同的。

1） 双电源

运算放大器大多以这种方式供电。相对于公共端（地）的正电源 （+ E） 和负电源 （-E） 分别连接到运算放大器的 + VCC 和 -VEE 引脚。这样，信号源就可以直接连接到运放的输入管脚，输出电压的幅值可以使正负对称。

2） 单电源

单电源 *** 作将运算放大器的 -VEE 引脚接地。这时，为了保证运放内部单元电路有合适的静态工作点，必须在运放的输入端加一个直流电位。

调零

由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响，当输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的工作精度，需要补偿由失调电压和失调电流引起的误差。这是运算放大器的零设置。常用的归零方法包括内部归零和外部归零。对于没有内部调零端子的集成运算放大器，应使用外部调零方法。

自振荡

运算放大器是一个高振幅的多级放大器。在深度负反馈的情况下，容易引起自激振荡。为了使放大器稳定工作，必须增加一定的频率补偿网络来消除自振荡。此外，为防止电源内阻引起低频振荡或高频振荡，应连接电解电容（10mF）和高频滤波电容（0.01mF～0.1mF）。

设备保护

集成运放的安全保护分为三个方面：电源保护、输入保护和输出保护。

1） 电源保护

电源的常见故障有极性反接和电压跳变。对于性能较差的电源，在开关电源的瞬间往往会出现电压过冲。保护措施如使用场效应管电流源和稳压器钳位保护。稳压器的电压值大于集成运放的正常工作电压且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

如果集成运放的输入差模/共模电压过高超出集成运放的极限参数范围，就会损坏。

3） 输出保护

当集成运放过载或输出短路时，如果没有保护电路，运放就会损坏。但是，一些集成运算放大器具有内部限流保护或短路保护，使用这些器件不需要额外的输出保护。

图 2. 反相运算放大器电路

2.运放参数

要在电路中更好地使用运放，就必须对其内部参数有一定的了解。以下是与运放密切相关的技术参数：

单位增益带宽

定义：在运放闭环增益为1倍的条件下，向运放输入端输入一个等幅正弦小信号，从运放输出端测得的闭环电压增益运放降低3dB（或相当于运放输入信号的0.707倍），即输出信号降低-3dB的频率为单位增益带宽。这是一个非常重要的指标。对于正弦小信号放大，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下最大增益的乘积。也就是说，当你知道要处理的信号的频率和增益后，就可以计算出单位增益带宽（增益带宽=放大*信号频率）来选择合适的运放。

对于小信号，单位增益带宽也称为增益带宽积，可以粗略地表示运放对信号频率的处理能力。例如某运放的增益带宽为1MHz，如果实际闭环增益为100，那么理论上处理小信号的最大频率为1MHz/100=10KHz。

对于大信号的带宽，即功率带宽，摆率SR的影响是主要因素，单位为V/uS。在这种情况下，由FPBW = SR / 2πVp-p计算得到的功率带宽，即在设计电路时必须同时满足增益带宽和功率带宽。

对于直流信号，一般不考虑带宽问题，主要考虑精度和干扰。

当放大器的放大倍数为n倍时，并不意味着所有输入信号都被放大了n倍。当信号频率增加时，放大能力下降。

开放带宽

开环带宽定义为：在运放的输入端输入一个恒定幅度的正弦小信号，开环电压增益从运放输出降低3dB至直流增益为运算放大器。这用于非常小的信号处理。

转换速率 SR

在运算放大器连接成闭环的情况下，一个大信号（包括阶跃信号）输入到运算放大器的输入端，从称为 SR 的运算放大器的输出端测量运算放大器的输出上升率。因为运算放大器的输入级在转换过程中是切换的，所以运算放大器的反馈回路不起作用，即转换速率与闭环增益无关。压摆率是大信号处理的一个非常重要的指标。一般运放的压摆率SR《=10V/μs，高速运放的压摆率SR》10V/μs。目前高速运放的最高转换率SR达到6000V/μs。SR越大，运算放大器对高速变化的输入信号的响应越好。信号幅度越大，频率越高，SR越大。

全功率带宽

在额定负载下，在运放闭环增益为1倍的条件下，向运放的输入端输入一个等幅正弦大信号，使运放的输出频率达到最大（允许一定的失真）信号。该频率受运算放大器压摆率 SR 的限制。大约，全功率带宽由公式 SR / 2πVop 计算（Vop 是运算放大器的峰值输出幅度）。它是大信号处理中运放选择的一个非常重要的指标。

设定时间

在额定负载下，在运放闭环增益为1倍的条件下，运放输入端输入一个阶跃大信号使输出从0增加到给定值所需的时间。因为是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后会出现一定的抖动。这个抖动时间称为稳定时间。此时，稳定时间+上升时间=稳定时间。对于不同的输出精度，稳定时间有很大的不同。精度越高，稳定时间越长。

等效输入噪声电压

它是指在具有良好屏蔽和无信号输入的运放输出端产生的任何交流随机干扰电压。当这个噪声电压转换到运放的输入时，称为运放的输入噪声电压（有时用噪声电流表示）。对于宽带噪声，普通运放的输入噪声电压有效值约为10～20μV。该值通常对应于某个频带。

输出阻抗

它是指信号电压加到工作在线性区的运放输出时，电压变化与相应电流变化的比值。在低频时，它仅指运算放大器的输出电阻。

共模输入电阻

指运放的两个输入端输入相同信号时，共模输入电压的变化与输入电流相应变化的比值。在低频时，它表现为共模电阻。一般运放的共模输入阻抗远高于差模输入阻抗，典型值在108Ω以上。

共模抑制比

与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益与共模电压增益的比值，通常以分贝表示。它是衡量输入级差分放大器的对称程度和集成运放抑制共模干扰信号能力的参数。值越大越好。

电源抑制比

电源电压抑制比定义为运算放大器的输入偏移电压与线性区域内电源电压的变化率。电源电压抑制比反映了电源变化对运算放大器输出的影响。目前，电源电压抑制比仅为80dB左右。因此，当用于直流信号或模拟放大的小信号处理时，需要仔细设置运算放大器的电源。当然，具有高共模抑制比的运算放大器可以补偿部分电源电压抑制比。此外，当使用双电源时，正极和负极电源的电源电压抑制比可能不同。

差模输入电阻

是指当运算放大器在线性区域中工作时，两个输入端子处的电压变化与输入端子处的相应电流变化的比率。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容，仅指低频时的输入电阻。一般产品规格仅给出输入电阻。使用双极晶体管作为输入级的运算放大器的输入电阻不大于10MΩ；作为场效应晶体管输入级的运放的输入电阻通常大于109Ω。

输入偏移电压

当输入电压为零时，输出电压除以电压增益加上负号，负号是转换为输入的偏移电压。当输出电压为零时，它是施加在输入端的补偿电压。输入偏移电压实际上反映了运算放大器内部的电路对称性。对称性越好，输入偏移电压越小。输入偏置电压是运算放大器的一个非常重要的指标，尤其是当它是精密运算放大器或用于直流放大时。

输入失调电压与制造工艺有一定的关系。当运算放大器使用双极工艺（即标准硅工艺）时，它在 ± 1 和 10 mV 之间。如果使用场效应管作为输入级，会更大。对于精密运算放大器，一般在1mV以下。输入失调电压越小，直流放大时的中间零偏越小，越容易处理。因此，对于精密运放来说，它是一个极其重要的指标。

输入失调电压漂移

在规定的工作温度范围内，它是输入失调电压随温度的变化与温度变化的比值。它实际上是对输入失调电压的一种补充，便于计算放大器电路在给定工作范围内因温度变化而产生的漂移。它是衡量运放温度影响的重要指标。一般情况下约为（10~30）uV/C（摄氏度），高质量可《0.5uV/C。

输入失调电流

定义为运放输出直流电压为零时差分输入级差分对的基极电流之差。用于表征差分输入电流的不对称程度。对称性越好，输入失调电流越小。输入失调电流对于运算放大器来说是一个非常重要的指标，特别是对于精密运算放大器或直流放大器。输入失调电流约为输入偏置电流的十分之一到十分之一。它对小信号精度放大或直流放大有重要影响，尤其是在运放外使用大电阻时。输入失调电流的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小，直流放大时的中间零偏越小，越容易处理。因此，对于精密运放来说，它是一个极其重要的指标。

输入失调电流温漂

在规定的工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量的比值。它是指在规定工作范围内的温度系数，也是衡量温度对运放影响的重要指标。通常在（1-50）nA/C左右，高质量的在几pA/C左右。这个值只在精密运放参数中给出，用于直流信号处理或较小时需要注意信号处理。

输入偏置电流

定义为运放输出直流电压为零时两个输入端偏置电流的平均值，即运放工作在输入端的平均电流。线性区域。输入偏置电流对需要输入阻抗的地方影响较大，如高阻抗信号放大、积分电路等。输入偏置电流与制造工艺有一定的关系。如果使用场效应管作为输入级，输入偏置电流一般低于1nA。它总是用来测量差分放大器对的输入电流。

最大差模输入电压

是运放的两个输入端能承受的电压。超过时，差动管会发生反向击穿。平面工艺制成的NPN管值在5V左右，水平PNP管的Vidmax可以达到30V以上。

最大共模输入电压

它是运算放大器正常工作条件下允许的共模输入电压范围。当输入差分对饱和时，放大器失去共模抑制能力。在有干扰的情况下，在电路的使用中需要注意这个问题。

输出峰峰值电压

工作在线性区，在规定负载下，运放在大电源供电时，是运放所能输出的最大电压幅值。除低压运放外，一般运放的输出峰峰值电压大于±10V，但小于电源电压。这是由于输出级的设计。现代低压运算放大器的输出级都经过特殊处理。输出峰峰值电压接近电源电压的50mV以内，因此称为满量程输出运放，也称为轨到轨运放。需要注意的是，运放的输出峰峰值电压与负载有关，不同负载取值不同；运放的正负输出电压摆幅不一定相同。

图 3. 运算放大器的输入失调电压

三、申请事项

1）单电源运放必须直流偏置，否则无法正常工作。对于虚地设计，除了直流电位外，还要注意稳压（最好使用参考电压芯片），还要保证低阻抗交流去耦，即低频去耦并联至少 10uF 和 0.1uF 以下的高频去耦。

2） 同相放大器的输入必须作为直流路径偏置到地。

3）普通运放不能直接驱动容性负载。如果需要，必须使用电容进行相位补偿或输出串联电阻，然后连接负载。

4）对于外部接口的运放输入，必须在正负输入引脚上并联一只TVS管，防止运放因输入电压信号过大而反极性，形成寄生假信号输出。

5）对于增益大于10倍的放大电路，要注意控制运放的带宽增益，防止器件自激振荡。

6）功率放大器的输出需要通过开关二极管对电源和地进行保护，特别是在连接感性负载时。

7）当使用多个运放处理多个信号时，必须注意防止其中一个信号的瞬时变化对另一个信号造成串扰。因此，建议不要使用一个运放来处理多个信号。

8） 大部分运放芯片都是ESD敏感器件，使用时要多加注意。

9）未使用的运放（多个运放中的多余通道）的引脚不应悬空，并接地或连接正负电源。建议将其连接为跟随器（输出连接到反向输入），非反相输入连接到电源轨之间的电位（双电源系统的接地或电路中任何合适的点） 。 它们也可以用作缓冲放大器，并将它们添加到系统中的一个小影响位置。

图 4. 运算放大器 741

审核编辑：郭婷