運(yùn)放電路分析和運(yùn)放選型

如何分析運(yùn)放電路？
基礎(chǔ)
在學(xué)習(xí)運(yùn)放選型前，我們需要先來(lái)透測(cè)的學(xué)習(xí)運(yùn)放電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是模擬電路中十分重要的元件，它能組成放大、加法、減法、轉(zhuǎn)換等各種電路，我們可以運(yùn)用運(yùn)放的"虛短"和"虛斷"來(lái)分析電路，然后應(yīng)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(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 V。

因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于"短路"。開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。


虛短

是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。
由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通常可把運(yùn)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(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱虛斷。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(duì)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(yùn)算放大電路：



在反相放大電路中，信號(hào)電壓通過(guò)電阻R1加至運(yùn)放的反相輸入端，輸出電壓Vo通過(guò)反饋電阻Rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路。

運(yùn)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(dāng)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。
根據(jù)歐姆定律：
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(yùn)放的其他特性，就根據(jù)虛短和虛斷的特性來(lái)分析。當(dāng)然，若運(yùn)放不工作在放大區(qū)時(shí)，不滿足虛短和虛斷發(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(yùn)放實(shí)現(xiàn)的加法器，用虛短和虛斷的方法來(lái)分析此電路。




由于電路存在虛短，運(yùn)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(fù)號(hào)為反相輸入所致，若再接一級(jí)反相電路，可消去負(fù)號(hào)。
簡(jiǎn)言之，虛短是運(yùn)放正輸入端和負(fù)輸入端的電壓相等，近似短路；虛斷是流入正負(fù)輸入端的電流為0。只要掌握了這一點(diǎn)，再運(yùn)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(yùn)放放大電路。

運(yùn)放具體該怎么選擇呢？
重點(diǎn)牢記



1、通用型運(yùn)算放大器
通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。mA741(單運(yùn)放)、LM358(雙運(yùn)放)、LM324(四運(yùn)放)，它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。



2、精密運(yùn)算放大器
精密運(yùn)算放大器一般指失調(diào)電壓低于1mV的運(yùn)放，對(duì)于直流輸入信號(hào)，輸入失調(diào)電壓(VOS)和它的溫漂小就行，但對(duì)于交流輸入信號(hào)，我們還必須考慮運(yùn)放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應(yīng)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(wěn)定性和對(duì)數(shù)以千計(jì)讀數(shù)和(或)在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現(xiàn)性，運(yùn)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(shè)計(jì)的電路。主要區(qū)別在于運(yùn)算放大器上，精密運(yùn)算放大器的性能比一般運(yùn)放好很多，比如開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調(diào)電壓或失調(diào)電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運(yùn)放的性能遠(yuǎn)不是一般運(yùn)算放大器可以比得，一般運(yùn)放的失調(diào)往往是幾個(gè)mV，而精密運(yùn)放可以小到1uV的水平。要放大微小的信號(hào)，必須用精密運(yùn)放，用了一般的運(yùn)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(diào)可以，但無(wú)法大幅度或者徹底改變。最常用的精密運(yùn)放為OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的還有很多，比如美國(guó)AD公司的產(chǎn)品，很多都是OPA帶頭的。



3、高阻型集成運(yùn)算放大器
高阻型集成運(yùn)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(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí),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(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347(四運(yùn)放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。



4、低溫漂型運(yùn)算放大器
在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)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(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。



5、高速型運(yùn)放
高速型運(yùn)放在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中,要求集成運(yùn)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(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。



6、低功耗型運(yùn)放
低功耗型運(yùn)放由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜運(yùn)算放大器式儀器應(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(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)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(dá)微瓦級(jí),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。





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




總結(jié)
summary

相信通過(guò)上面的介紹，對(duì)不同使用條件下是否能使用同一種運(yùn)放，顯然是比較清楚的，實(shí)際選擇集成運(yùn)放時(shí),還應(yīng)考慮其他因素。

例如信號(hào)源的性質(zhì),是電壓源還是電流源？負(fù)載的性質(zhì)？集成運(yùn)放輸出電壓和電流的是否滿足要求？環(huán)境條件,集成運(yùn)放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求？
最后再贈(zèng)送大家一些評(píng)價(jià)運(yùn)放的小經(jīng)驗(yàn)，評(píng)價(jià)集成運(yùn)放性能的優(yōu)劣,應(yīng)看其綜合性能：
SR為轉(zhuǎn)換率,單位為V/ms,其值越大,表明運(yùn)放的交流特性越好;
Iib為運(yùn)放的輸入偏置電流,單位是nA;
VOS為輸入失調(diào) 電壓,單位是mV。
Iib和VOS值越小,表明運(yùn)放的直流特性越好。


劃重點(diǎn)
①對(duì)于放大音頻、視頻等交流信號(hào)的電路,選SR(轉(zhuǎn)換速率)大的運(yùn)放比較合適
②對(duì)于處理微弱的直流信號(hào)的電路,選用精度比較的高的運(yùn)放比較合適(既失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫飄均比較小)
③在沒(méi)有特殊要求的場(chǎng)合,盡量選用通用型集成運(yùn)放,這樣既可降低成本,又容易保證貨源。
④當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)運(yùn)放時(shí),盡可能選用多運(yùn)放集成電路,LM324、LF347等都是將四個(gè)運(yùn)放封裝在一起的集成電路。