運算放大器端口名稱

基本簡介運算放大器(簡稱"運放")是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運算的結(jié)果。 由于早期應(yīng)用于模擬計算機(jī)中，用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，故得名"運算放大器"。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(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。折疊編輯本段發(fā)展史第一個使用真空管設(shè)計的放大器大約在1930年前后完成，這個放大器可以執(zhí)行加與減的工作。運算放大器最早被設(shè)計出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加、減、乘、除的運算，同時也成為實現(xiàn)模擬計算機(jī)(analog computer)的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計上的用途卻遠(yuǎn)超過加減乘除的計算。今日的運算放大器，無論是使用晶體管(transistor)或真空管(vacuum tube)、分立式(discrete)元件或集成電路(integrated circuits)元件，運算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運算放大器的要求。早期的運算放大器是使用真空管設(shè)計，當(dāng)前則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時，常常會利用分立式元件來實現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運算放大器。1960年代晚期，仙童半導(dǎo)體(Fairchild Semiconductor)推出了第一個被廣泛使用的集成電路運算放大器，型號為μA709，設(shè)計者則是鮑伯·韋勒(Bob Widlar)。但是709很快地被隨后而來的新產(chǎn)品μA741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個獨一無二的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進(jìn)仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741。直到今天μA741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運放原理的典型教材。折疊編輯本段原理運放如圖有兩個輸入端a(反相輸入端)，b(同相輸入端)和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點。)之間，且其實際方向從a 端高于公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖:

運算放大器運算放大器一般可將運放簡單地視為:具有一個信號輸出端口(Out)和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。運放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運放稱為軌到軌(rail-to-rail)輸入運算放大器。運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有:輸出電壓=A0(E1-E2)，其中，A0 是運放的低頻開環(huán)增益(如 100dB，即 100000 倍)，E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。折疊編輯本段分類按照集成運算放大器的參數(shù)來分，集成運算放大器可分為如下幾類。折疊通用型通用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例μA741(單運放)、LM358(雙運放)、LM324(四運放)及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運算放大器。運算放大器折疊高阻型這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>1GΩ~1TΩ，IB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，用場效應(yīng)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，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347(四運放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。折疊低溫漂型在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調(diào)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(shè)計的。當(dāng)前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。折疊高速型在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉(zhuǎn)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(yīng)用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運放有LM318、μA715等，其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。折疊低功耗型由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)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50~250μA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)μW級，例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供電。運算放大器折疊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(dá)±150V，μA791集成運放的輸出電流可達(dá)1A。折疊可編程控制型在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出，就必須改變運算放大器得放大倍數(shù).例如:有一運算放大器得放大倍數(shù)為10倍，輸入信號為1mv時，輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時，輸出就只有1mv，為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100。程控運放就是為了解決這一問題而產(chǎn)生的。例如PGA103A，通過控制1,2腳的電平來改變放大的倍數(shù)。折疊編輯本段參數(shù)折疊共模輸入電阻該參數(shù)表示運算放大器工作在線性區(qū)時，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。折疊直流共模抑制該參數(shù)用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信號的抑制能力。折疊交流共模抑制CMRAC用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信號的抑制能力，是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。折疊增益帶寬積增益帶寬積是一個常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。折疊輸入偏置電流該參數(shù)指運算放大器工作在線性區(qū)時流入輸入端的平均電流。折疊偏置電流溫漂該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。折疊輸入失調(diào)電流該參數(shù)是指流入兩個輸入端的電流之差。折疊輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。折疊差模輸入電阻該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。在一個輸入端測量時，另一輸入端接固定的共模電壓。折疊輸出阻抗該參數(shù)是指運算放大器工作在線性區(qū)時，輸出端的內(nèi)部等效小信號阻抗。折疊輸出電壓擺幅該參數(shù)是指輸出信號不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。折疊功耗表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。運算放大器折疊電源抑制比該參數(shù)用來衡量在電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。折疊轉(zhuǎn)換速率該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/μs為單位表示，有時也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。折疊電源電流該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。折疊單位增益帶寬該參數(shù)指開環(huán)增益大于1時運算放大器的最大工作頻率。折疊輸入失調(diào)電壓該參數(shù)表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差。輸入失調(diào)電壓溫漂(TCVOS)該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以μV/°C為單位表示。折疊輸入電容CIN表示運算放大器工作在線性區(qū)時任何一個輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。折疊輸入電壓范圍該參數(shù)指運算放大器正常工作(可獲得預(yù)期結(jié)果)時，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。折疊輸入電壓噪聲密度(eN)對于運算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。折疊輸入電流噪聲密度(iN)對于運算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，連接到每個輸入端和公共端，通常以 pA / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。理想運算放大器參數(shù):差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻、共模抑制比、上限頻率均無窮大;輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流及其溫漂，以及噪聲均為零。折疊編輯本段應(yīng)用運算放大器是用途廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。折疊編輯本段測量運算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器，常用于高精度模擬電路，因此必須精確測量其性能。但在開環(huán)測量中，其開環(huán)增益可能高達(dá)107或更高，而拾取、雜散電流或塞貝克(熱電偶)效應(yīng)可能會在放大器輸入端產(chǎn)生非常小的電壓，這樣誤差將難以避免。通過使用伺服環(huán)路，可以大大簡化測量過程，強(qiáng)制放大器輸入調(diào)零，使得待測放大器能夠測量自身的誤差。圖1顯示了一個運用該原理的多功能電路，它利用一個輔助運放作為積分器，來建立一個具有極高直流開環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。開關(guān)為執(zhí)行下面所述的各種測試提供了便利。圖1圖1所示電路能夠?qū)⒋蟛糠譁y量誤差降至最低，支持精確測量大量直流和少量交流參數(shù)。附加的"輔助"運算放大器無需具有比待測運算放大器更好的性能，其直流開環(huán)增益最好能達(dá)到106或更高。如果待測器件(DUT)的失調(diào)電壓可能超過幾mV，則輔助運放應(yīng)采用±15 V電源供電(如果DUT的輸入失調(diào)電壓可能超過10 mV，則需要減小99.9 kΩ電阻R3的阻值。)DUT的電源電壓+V和–V幅度相等、極性相反?？傠娫措妷豪硭?dāng)然是2 × V。該電路使用對稱電源，即使"單電源"運放也是如此，因為系統(tǒng)的地以電源的中間電壓為參考。作為積分器的輔助放大器在直流時配置為開環(huán)(最高增益)，但其輸入電阻和反饋電容將其帶寬限制為幾Hz。這意味著，DUT輸出端的直流電壓被輔助放大器以最高增益放大，并通過一個1000:1衰減器施加于DUT的同相輸入端。負(fù)反饋將DUT輸出驅(qū)動至地電位。(事實上，實際電壓是輔助放大器的失調(diào)電壓，更精確地說是該失調(diào)電壓加上輔助放大器的偏置電流在100 kΩ電阻上引起的壓降，但它非常接近地電位，因此無關(guān)緊要，特別是考慮到測量期間此點的電壓變化不大可能超過幾mV)。測試點TP1上的電壓是施加于DUT輸入端的校正電壓(與誤差在幅度上相等)的1000倍，約為數(shù)十mV或更大，因此可以相當(dāng)輕松地進(jìn)行測量。理想運算放大器的失調(diào)電壓(Vos)為0，即當(dāng)兩個輸入端連在一起并保持中間電源電壓時，輸出電壓同樣為中間電源電壓?，F(xiàn)實中的運算放大器則具有幾微伏到幾毫伏不等的失調(diào)電壓，因此必須將此范圍內(nèi)的電壓施加于輸入端，使輸出處于中間電位。圖2給出了最基本測試--失調(diào)電壓測量的配置。當(dāng)TP1上的電壓為DUT失調(diào)電壓的1000倍時，DUT輸出電壓處于地電位。圖2理想運算放大器具有無限大的輸入阻抗，無電流流入其輸入端。但在現(xiàn)實中，會有少量"偏置"電流流入反相和同相輸入端(分別為Ib–和Ib+)，它們會在高阻抗電路中引起顯著的失調(diào)電壓。根據(jù)運算放大器類型的不同，這種偏置電流可能為幾fA(1 fA = 10–15 A，每隔幾微秒流過一個電子)至幾nA;在某些超快速運算放大器中，甚至達(dá)到1 - 2 μA。圖3顯示如何測量這些電流。圖3該電路與圖2的失調(diào)電壓電路基本相同，只是DUT輸入端增加了兩個串聯(lián)電阻R6和R7。這些電阻可以通過開關(guān)S1和S2短路。當(dāng)兩個開關(guān)均閉合時，該電路與圖2完全相同。當(dāng)S1斷開時，反相輸入端的偏置電流流入Rs，電壓差增加到失調(diào)電壓上。通過測量TP1的電壓變化(=1000 Ib–×Rs)，可以計算出Ib–。同樣，當(dāng)S1閉合且S2斷開時，可以測量Ib+。如果先在S1和S2均閉合時測量TP1的電壓，然后在S1和S2均斷開時再次測量TP1的電壓，則通過該電壓的變化可以測算出"輸入失調(diào)電流"Ios，即Ib+與Ib–之差。R6和R7的阻值取決于要測量的電流大小。如果Ib的值在5 pA左右，則會用到大電阻，使用該電路將非常困難，可能需要使用其它技術(shù)，牽涉到Ib給低泄漏電容(用于代替Rs)充電的速率。當(dāng)S1和S2閉合時，Ios仍會流入100 Ω電阻，導(dǎo)致Vos誤差，但在計算時通?？梢院雎运?，除非Ios足夠大，產(chǎn)生的誤差大于實測Vos的1%。運算放大器的開環(huán)直流增益可能非常高，107以上的增益也并非罕見，但250，000到2，000，000的增益更為常見。直流增益的測量方法是通過S6切換DUT輸出端與1 V基準(zhǔn)電壓之間的R5，迫使DUT的輸出改變一定的量(圖4中為1 V，但如果器件采用足夠大的電源供電，可以規(guī)定為10 V)。如果R5處于+1 V，若要使輔助放大器的輸入保持在0附近不變，DUT輸出必須變?yōu)楱C1 V。圖4TP1的電壓變化衰減1000:1后輸入DUT，導(dǎo)致輸出改變1 V，由此很容易計算增益(= 1000 × 1 V/TP1)。為了測量開環(huán)交流增益，需要在DUT輸入端注入一個所需頻率的小交流信號，并測量相應(yīng)的輸出信號(圖5中的TP2)。完成后，輔助放大器繼續(xù)使DUT輸出端的平均直流電平保持穩(wěn)定。圖5中，交流信號通過10，000:1的衰減器施加于DUT輸入端。對于開環(huán)增益可能接近直流值的低頻測量，必須使用如此大的衰減值。(例如，在增益為1，000，000的頻率時，1 V rms信號會將100 μV施加于放大器輸入端，放大器則試圖提供100 V rms輸出，導(dǎo)致放大器飽和。)因此，交流測量的頻率一般是幾百Hz到開環(huán)增益降至1時的頻率;在需要低頻增益數(shù)據(jù)時，應(yīng)非常小心地利用較低的輸入幅度進(jìn)行測量。所示的簡單衰減器只能在100 kHz以下的頻率工作，即使小心處理了雜散電容也不能超過該頻率。如果涉及到更高的頻率，則需要使用更復(fù)雜的電路。圖5運算放大器的共模抑制比(CMRR)指共模電壓變化導(dǎo)致的失調(diào)電壓視在變化與所施加的共模電壓變化之比。在DC時，它一般在80 dB至120 dB之間，但在高頻時會降低。測試電路非常適合測量CMRR(圖6)。它不是將共模電壓施加于DUT輸入端，以免低電平效應(yīng)破壞測量，而是改變電源電壓(相對于輸入的同一方向，即共模方向)，電路其余部分則保持不變。圖6在圖6所示電路中，在TP1測量失調(diào)電壓，電源電壓為±V(本例中為+2.5 V和–2.5 V)，并且兩個電源電壓再次上移+1 V(至+3.5 V和–1.5 V)。失調(diào)電壓的變化對應(yīng)于1 V的共模電壓變化，因此直流CMRR為失調(diào)電壓與1 V之比。CMRR衡量失調(diào)電壓相對于共模電壓的變化，總電源電壓則保持不變。電源抑制比(PSRR)則相反，它是指失調(diào)電壓的變化與總電源電壓的變化之比，共模電壓保持中間電源電壓不變(圖7)。圖7所用的電路完全相同，不同之處在于總電源電壓發(fā)生改變，而共模電平保持不變。本例中，電源電壓從+2.5 V和–2.5 V切換到+3 V和–3 V，總電源電壓從5 V變到6 V。共模電壓仍然保持中間電源電壓。計算方法也相同(1000 × TP1/1 V)。為了測量交流CMRR和PSRR，需要用電壓來調(diào)制電源電壓，如圖8所示。DUT繼續(xù)在直流開環(huán)下工作，但確切的增益由交流負(fù)反饋決定(圖中為100倍)。圖8為了測量交流CMRR，利用幅度為1 V峰值的交流電壓調(diào)制DUT的正負(fù)電源。兩個電源的調(diào)制同相，因此實際的電源電壓為穩(wěn)定的直流電壓，但共模電壓是2V峰峰值的正弦波，導(dǎo)致DUT輸出包括一個在TP2測量的交流電壓。如果TP2的交流電壓具有x V峰值的幅度(2x V峰峰值)，則折合到DUT輸入端(即放大100倍交流增益之前)的CMRR為x/100 V，并且CMRR為該值與1 V峰值的比值。交流PSRR的測量方法是將交流電壓施加于相位相差180°的正負(fù)電源，從而調(diào)制電源電壓的幅度(本例中同樣是1 V峰值、2 V峰峰值)，而共模電壓仍然保持穩(wěn)定的直流電壓。計算方法與上一參數(shù)的計算方法非常相似?？偨Y(jié)當(dāng)然，運算放大器還有許多其它參數(shù)可能需要測量，而且還有多種其它方法可以測量上述參數(shù)，但正如本文所示，最基本的直流和交流參數(shù)可以利用易于構(gòu)建、易于理解、毫無問題的簡單基本電路進(jìn)行可靠測量。