運(yùn)算放大器（Integrated Operational Amplifier）簡稱集成運(yùn)放，是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。

運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)

輸入級一般是由BJT（雙極性晶體管，電流控制器件）、JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管，電壓控制器件）或MOSFET（氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）組成的差動放大電路，主要是利用對稱特性提高共模抑制比，它的兩個輸人端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端；電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成；輸出級一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器構(gòu)成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力；偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)。如電平移動電路，過載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償電路。

運(yùn)放分類

01

按工作原理

① 電壓放大型

實(shí)現(xiàn)電壓放大，輸出回路等效成電壓控制的電壓源。

② 電流放大型

實(shí)現(xiàn)電流放大，輸出回路等效成電流控制的電流源。

③ 跨導(dǎo)放大型

將輸入電壓轉(zhuǎn)化成輸出電流，輸出回路等效成電壓控制的電流源。

④ 互阻放大型

將輸入電流轉(zhuǎn)化成輸出電壓，輸出回路等效成電流控制的電壓源。

02

按性能

① 高阻型

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為幾到幾十PA。適用于測量放大電路、信號發(fā)生電路、采樣——保持電路。

② 高速型

特點(diǎn)是單位增益帶寬、轉(zhuǎn)換速率SR高。適用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、鎖相環(huán)電路、視頻放大電路。

③ 高精度型

特點(diǎn)是低失調(diào)電壓、低溫漂、低噪聲、高增益。適用于微弱信號的精密測量，例如高精儀器。

④ 低功耗型

特點(diǎn)是靜態(tài)功耗低、工作電壓低。適用于便攜式儀器、空間技術(shù)、工業(yè)及軍事的遙感遙測領(lǐng)域。

⑤ 通用型

特點(diǎn)是價格低廉，性能指標(biāo)要求一般都滿足。適用于低頻信號，簡單的信號處理。

運(yùn)放參數(shù)指標(biāo)

01

直流指標(biāo)

① 輸入失調(diào)電壓VIO及溫漂αVIO

集成運(yùn)放輸出端電壓為零時，兩個輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。內(nèi)部電路對稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小，運(yùn)放的性能更好；αVIO溫漂是輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值，一般運(yùn)放溫漂在±10~20μV/℃之間，精密運(yùn)放的溫漂小于±1μV/℃。

② 輸入偏置電流IIB

當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端的偏置電流平均值，通常IIB越小，IIO也就越小。與制造工藝有關(guān)，雙極型晶體管一般為80～500nA，場效應(yīng)管一般為1nA。

③ 輸入失調(diào)電流IIO及溫漂dVIO

當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端偏置電流的差值。內(nèi)部電路對稱性越好，輸入失調(diào)電流越小，雙極型晶體管一般為20～200nA，場效應(yīng)管一般小于1nA；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。

④ 開環(huán)差模增益Aod

集成運(yùn)放無外加反饋時的放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模增益，分貝數(shù)為20 lg| Aod |一般運(yùn)放數(shù)值在80~120dB。

⑤ 共模抑制比KCMR

運(yùn)放工作在線性區(qū)時，差模增益與共模增益的比值，20 lg KCMR。

⑥ 電源抑制比

運(yùn)放工作在線性區(qū)時運(yùn)放輸入失調(diào)電壓隨電源電壓的變化比值。

⑦ 最大共模輸入電壓UIcmax

正常放大差模信號的情況下允許輸入的最大共模信號，一般定義為當(dāng)共模抑制比下降6dB?是所對應(yīng)的共模輸入電壓作為最大共模輸入電壓。

⑧ 最大差模輸入電壓UIdmax

運(yùn)放兩輸入端允許加的最大輸入電壓，當(dāng)運(yùn)放兩輸入端允許加的輸入電壓差超過最大差模輸入電壓時，會使內(nèi)部PN結(jié)擊穿，造成運(yùn)放輸入級損壞。

02

交流指標(biāo)?

① 開環(huán)帶寬fH

開環(huán)帶寬fH是使直流開環(huán)差模增益Aod下降3dB（直流增益的0.707）的信號頻率。實(shí)際值為GBW=Gain*f。

② 單位增益帶寬fc

表示差模電壓放大倍數(shù)Aod下降到0dB(直流開環(huán)差模增益Aod=1)的頻率。一般在1MHz左右。

③ 轉(zhuǎn)換速率(又稱壓擺率)SR

SR是在大信號作用下輸出電壓在單位時間變化量的最大值，也表示運(yùn)算放大器對突變信號的適應(yīng)能力。要求信號幅值越大、頻率越高的情況下，壓擺率SR越大。實(shí)際值為2*π*f*Vin*Gain。

④ 共模輸入阻抗

該參數(shù)表示運(yùn)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。低頻時，表現(xiàn)為共模電阻，典型值在108歐以上。

⑤ 差模輸入阻抗（也稱為輸入阻抗）rid

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。差模輸入阻抗越大，信號索取電流越小。

⑥ 輸出阻抗

該參數(shù)是指運(yùn)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。

⑦ 全功率帶寬BW

在額定的負(fù)載時，運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下（直流開環(huán)差模增益Aod=1），將一個恒幅正弦大信號輸入到運(yùn)放的輸入端，使運(yùn)放的幅度最大時的頻率。全功率帶寬=轉(zhuǎn)換速率/2πVop（Vop是運(yùn)放的峰值輸出幅度）。

⑧ 靜態(tài)功耗

表示無信號條件下運(yùn)放的耗電程度。當(dāng)電源電壓為±15V時，靜態(tài)功耗雙極型晶體管一般為50～100mW，場效應(yīng)管一般為1mW。

⑨ 建立時間

在額定的負(fù)載時，運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下（直流開環(huán)差模增益Aod=1），將一個階躍大信號輸入到運(yùn)放的輸入端，使運(yùn)放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時間。

⑩ 輸入電壓噪聲密度（eN)、輸入電流噪聲密度（iN)

噪聲分量。

運(yùn)放計(jì)算思想

虛短與虛斷是分析運(yùn)放的基本點(diǎn)。（引入負(fù)反饋）

01

虛短

虛短指在理想情況下，兩個輸入端的電位相等，就好像兩個輸入端短接在一起，但事實(shí)上并沒有短接，稱為“虛短”。虛短的必要條件是運(yùn)放引入深度負(fù)反饋。集成運(yùn)放的線性應(yīng)用時，可近似地認(rèn)為uN-uP=0，uN=uP時，即反相與同相輸入端之間相當(dāng)于短路，故稱虛假短路，簡稱“虛短”。

02

虛斷

虛斷指在理想情況下，流入集成運(yùn)算放大器輸入端電流為零。這是由于理想運(yùn)算放大器的輸入電阻無限大，就好像運(yùn)放兩個輸入端之間開路。但事實(shí)上并沒有開路，稱為“虛斷”。當(dāng)兩個輸入端的輸入電流為零，即iN=iP=0時，可認(rèn)為反相與同相輸入端之間相當(dāng)于斷路，稱為虛假斷路，簡稱“虛斷”。

運(yùn)放保護(hù)措施

集成運(yùn)放的安全保護(hù)有三個方面：電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)。

01

電源保護(hù)

電源的常見故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護(hù)和電源電壓突變保護(hù)。

02

輸入保護(hù)

集成運(yùn)放的輸入差模電壓過高或者輸入共模電壓過高（超出該集成運(yùn)放的極限參數(shù)范圍）,集成運(yùn)放也會損壞。

03

輸出保護(hù)

集成運(yùn)放過載或輸出端短路時,若沒有保護(hù)電路,該運(yùn)放就會損壞。有些集成運(yùn)放內(nèi)部設(shè)置了限流保護(hù)或短路保護(hù) 。

運(yùn)算放大器六條軍規(guī)

運(yùn)算放大器作為最通用的模擬器件，廣泛用于信號變換調(diào)理、ADC采樣前端、電源電路等場合中。雖然運(yùn)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。

01

注意輸入電壓是否超限

以ADI器件為例，ADI的數(shù)據(jù)表中的輸入電氣特性可以看到在電源電壓±15V的條件下，輸入電壓的范圍是±13.5V，如果輸入電壓超出范圍，那么運(yùn)放就會工作不正常，出現(xiàn)一些意料不到的情況。有一些運(yùn)放標(biāo)注的不是輸入電壓范圍，而是共模輸入電壓范圍，如TI的TLC2272在單電源 5V的條件下，共模輸入范圍是0-3.5V.其實(shí)由于運(yùn)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“輸入電壓范圍”與“共模輸入電壓范圍”都是一樣的意思。

02

不要在運(yùn)放輸出直接并接電容

在直流信號放大電路中，有時候?yàn)榱私档驮肼?，直接在運(yùn)放輸出并接去耦電容。雖然放大的是直流信號，但是這樣做是很不安全的。當(dāng)有一個階躍信號輸入或者上電瞬間，運(yùn)放輸出電流會比較大，而且電容會改變環(huán)路的相位特性，導(dǎo)致電路自激振蕩，這是我們不愿意看到的。

正確的去耦電容應(yīng)該要組成RC電路，就是在運(yùn)放的輸出端先串入一個電阻，然后再并接去耦電容。這樣做可以大大削減運(yùn)放輸出瞬間電流，也不會影響環(huán)路的相位特性，可以避免振蕩。

03

不要在放大電路反饋回路并接電容

同樣是一個用于直流信號放大的電路，為了去耦，不小心把電容并接到了反饋回路，反饋信號的相位發(fā)生了改變，很容易就會發(fā)生振蕩。所以，在放大電路中，反饋回路不能加入任何影響信號相位的電路。由此延伸至穩(wěn)壓電源電路，并接在反饋腳的電容是錯誤的。為了降低紋波，可以把電容與反饋電阻并聯(lián)，適當(dāng)增大紋波的負(fù)反饋?zhàn)饔?，抑制輸出紋波。

04

注意運(yùn)放的輸出擺幅

任何運(yùn)放都不可能是理想運(yùn)放，輸出電壓都不可能達(dá)到電源電壓，一般基于MOS的運(yùn)放都是軌對軌運(yùn)放，在空載情況下輸出可以達(dá)到電源電壓，但是輸出都會帶一定的負(fù)載，負(fù)載越大，輸出降落越多。

05

注意反饋回路的Layout

反饋回路的元器件必須要靠近運(yùn)放，而且PCB走線要盡量短，同時要盡量避開數(shù)字信號、晶振等干擾源。反饋回路的布局布線不合理，則會容易引入噪聲，嚴(yán)重會導(dǎo)致自激振蕩。

06

要重視電源濾波

運(yùn)放的電源濾波不容忽視，電源的好壞直接影響輸出。特別是對于高速運(yùn)放，電源紋波對運(yùn)放輸出干擾很大，弄不好就會變成自激振蕩。所以最好的運(yùn)放濾波是在運(yùn)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。

---The end---