运算放大器(常简称为“运放”)是具有很高放大倍数的威廉希尔官方网站 单元。在实际威廉希尔官方网站 中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”,此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的威廉希尔官方网站 单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展,如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。运放的种类繁多,广泛应用于几乎所有的行业当中。实际运算放大器的增益是有限值,而且随频率的升高而降低;其输入阻抗不是无穷大,输出阻抗也不等于零。
运算放大器的分类:
为满足实际使用中对集成运放性能的特殊要求,除性能指标比较适中的通用型运放外,发展了适应不同需要的专用型集成运放。它们在某些技术指标上比较突出。
根据运算放大器的技术指标可以对其进行分类,主要有通用、高速、宽带、高精度、高输入电阻和低功耗等几种。
1. 通用型
通用型运算放大器的技术指标比较适中,价格低廉。通用型运放也经过了几代的演变,早期的通用Ⅰ型运放已很少使用了。以典型的通用型运放CF741(mA741)为例,输入失调电压1~2mV、输入失调电流20nA、差模输入电阻2MW,开环增益100dB、共模抑制比90dB、输出电阻75W、共模输入电压范围±13 V、转换速率0.5V/ms。
2. 高速型和宽带型
用于宽频带放大器、高速A/D和D/A,高速数据采集测试系统。这种运放的单位增益带宽和压摆率的指标均较高,用于小信号放大时,可注重fH或fc,用于高速大信号放大时,同时还应注重SR。
例如:
3. 高精度(低漂移型)
例如:
4. 高输入阻抗型
用于测量设备及采样保持威廉希尔官方网站 中。
例如:
5. 低功耗型
用于空间技术和生物科学研究中,工作于较低电压下,工作电流微弱。
例如: OP22 正常工作时,静态功耗可低至36μW。
OP290 在±0.8V电压下工作,功耗为24μW。
CF7612 在±5V电压下工作,功耗为50μW。
6. 功率型
这种运放的输出功率可达1W以上,输出电流可达几个安培以上。
例如: LM12 I0 = 10A
TP1465 I0 = 0.75A
运算放大器使用的注意事项
运算放大器是作为最通用的模拟器件,广泛用于信号变换调理、ADC采样前端、电源威廉希尔官方网站 等场合中。虽然运放外围威廉希尔官方网站 简单,不过在使用过程中还是有很多需要注意的地方。
1、注意输入电压是否超限
图1是ADI的OP07数据表中的输入电气特性的一部分,可以看到在电源电压±15V的条件下,输入电压的范围是±13.5V,如果输入电压超出范围,那么运放就会工作不正常,出现一些意料不到的情况。
而有一些运放标注的不是输入电压范围,而是共模输入电压范围,如图1-2是TI的TLC2272数据表的一部分,在单电源+5V的条件下,共模输入范围是0-3.5V.其实由于运放正常工作时,同相端和反相端输入电压基本是一致的(虚短虚断),所以“输入电压范围”与“共模输入电压范围”都是一样的意思。
2、不要在运放输出直接并接电容
在直流信号放大威廉希尔官方网站 中,有时候为了降低噪声,直接在运放输出并接去耦电容(如图2-1)。虽然放大的是直流信号,但是这样做是很不安全的。当有一个阶跃信号输入或者上电瞬间,运放输出电流会比较大,而且电容会改变环路的相位特性,导致威廉希尔官方网站 自激振荡,这是我们不愿意看到的。
正确的去耦电容应该要组成RC威廉希尔官方网站 ,就是在运放的输出端先串入一个电阻,然后再并接去耦电容(如图2-2)。这样做可以大大削减运放输出瞬间电流,也不会影响环路的相位特性,可以避免振荡。
3、不要在放大威廉希尔官方网站 反馈回路并接电容
如图3-1所示,同样是一个用于直流信号放大的威廉希尔官方网站 ,为了去耦,不小心把电容并接到了反馈回路,反馈信号的相位发生了改变,很容易就会发生振荡。所以,在放大威廉希尔官方网站 中,反馈回路不能加入任何影响信号相位的威廉希尔官方网站 。由此延伸至稳压电源威廉希尔官方网站 ,如图3-2,并接在反馈脚的C3是错误的。为了降低纹波,可以把C3与R1并联,适当增大纹波的负反馈作用,抑制输出纹波。
4、注意运放的输出摆幅
任何运放都不可能是理想运放,输出电压都不可能达到电源电压,一般基于MOS的运放都是轨对轨运放,在空载情况下输出可以达到电源电压,但是输出都会带一定的负载,负载越大,输出降落越多。基于三极管的运放输出幅度的相对值更小,有的运放输出幅度比电源电压要小2~6V,比如NE5532.图4-1就是TI的TLC2272在+5V供电的输出特性,它属于轨对轨运放,如果用该器件作为ADC采样的前级放大(如图4-2),单电源+5V供电,那么当输入接近0V的时候,输入和输出变得非线性的了。解决的方法是引入负电源,比如在4脚加入-1V的负电源,这样在整个输入范围内,输出与输入都是线性的了。
5、注意反馈回路的Layout
反馈回路的元器件必须要靠近运放,而且PCB走线要尽量短,同时要尽量避开数字信号、晶振等干扰源。反馈回路的布局布线不合理,则会容易引入噪声,严重会导致自激振荡。
6、要重视电源滤波
运放的电源滤波不容忽视,电源的好坏直接影响输出。特别是对于高速运放,电源纹波对运放输出干扰很大,弄不好就会变成自激振荡。所以最好的运放滤波是在运放的电源脚旁边加一个0.1uF的去耦电容和一个几十uF的钽电容,或者再串接一个小电感或者磁珠,效果会更好。
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