完整版运放分类及选型.docx
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完整版运放分类及选型
运放分类及选型
对于较大音频、视频等交流信号，选SR（转换速率）大的运放比较合适。
对于处理微弱的直流信号的电路，选用精度比较高的运放比较合适（即失调电流，失调电压及温漂均比较小）
运算放大器大体上可以分为如下几类：
1、通用型运放
2、高阻型运放
3、低温漂型运放
4、高速型运放
5、低功耗型运放
6、高压大功率型运放
1、通用型运放
其性能指标能适合于一般性（低频以及信号变化缓慢）使用，例如
，LM358（双运放），LM324及场效应管为输入级的LF356.
2、高阻型运放
这类运放的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小。
实现这些指标的主要措施是利用场效应管的高输入阻抗的特点，但这类运放的输入失调电压较大。
这类运放有LF356、LF355、LF347、CA3130、CA3140等
3、低温漂型运放
在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，希望运放的失调电压要小，且不随温度的变化而变化。
底温漂型运放就是为此设计的。
目前常用的低温漂型运放有OP07、OP27、OP37、AD508及MOSFET组成的斩波稳零型低温漂移器件ICL7650等。
4、高速型运放
在快速A/D及D/A以及在视频放大器中，要求运放的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大。
高速型运放的主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。
常见的运放有LM318、
等。
其SR=50~70V/ms
5、低功耗型运放
由于便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功耗的运放。
常用的低功耗运放有TL-022C，TL-160C等。
6、高压大功率型运放
运放的输出电压主要受供电电源的限制。
在普通运放中，输出的电压最大值一般仅有几十伏，输出电流仅几十毫安，若要提高多输出电压或输出电流，运放外部必须要加辅助电路。
高压大功率运放外部不需要附加任何电路，即可输出高电压和大电流。
D41运放的电源电压可达
，
运放的输出电流可达1A。
Note1：
精密运放是指漂移和噪声非常低、增益和共模抑制比非常高的运放。
这类运放的温度漂移一般低于
Note2：
高输入阻抗运放是指采用结型场效应管或MOS管做的输入级集成运放。
它的一个附带特性是转换速度比较高。
高输入阻抗运放应用十分广泛，如采样-保持电路、积分器、对数放大器、测量放大器、带通滤波器等。
3、高速运放是指转换速率较高的运放，一般在
以上。
应用于高速A/D、D/A、滤波器、锁相环电路、模拟乘法器等。
4、带宽运放是指-3DB带宽（BW）比通用运放宽的集成运放。
运放选用注意事项1
1、应正确认识、对待运放的各种参数，不要盲目片面的追求指标的先进。
如场效应管输入级的运放，其输入阻抗虽高，但失调电压也较大；低功耗运放的转换速率必然也较低。
2、当用运放做微弱信号放大时，应特别注意选用失调和噪声系数均很小的运放，如ICL7650。
应保证运放同相端与反相端对地的等效直流电阻相等。
此外，在高输入及低失调、低温漂的高精度运放组成的印制电路板布线方案中，其输入端应加保护环。
3、当运放用作直流放大时，必须进行调零。
有调零端的运放应接相关资料推荐的调零电路进行调零。
4、为了消除运放的高频自激，应参照规定的或推荐的参数，在规定的消振引脚之间介入适当的电容消振，同时应避免两级以上的运放级联，以减少消振困难。
为了消除内阻引起的寄生振荡，可在运放电源端对地就近接去耦电容，考虑到去耦电解电容的电感效应，常常在其二端并联一个容量为0.01uf~0.1uf的瓷片电容。
单电源运放应注意的事项2
1、要进行单电源放大，最少要知道的参数是单位增益带宽，开环差模电压放大倍数及输出最大摆幅。
要知道设计的放大倍数越大，相应的带宽就会降低。
具体计算请参考相关资料。
2、在单电源中，使用放大倍数过大，极有可能产生自激，这时应根据要放大信号的频率和自激信号的频率，来选择在反馈电阻上的电容，其计算方法是
，C一般取10PF~几百PF。
3、单电源多级运放的第一级最好使用同相放大器，这样可以利用同相放大器的特性使得前后的信号得以匹配，第二级可以使用反相放大。
4、有失调电压调零功能的运放要慎用，调节端的接法和布线如果没有讲究，反而使失调更大，尤其是失调温漂。
5、增益越大，噪声越大，增益误差越大。
6、开环增益越大，闭环增益误差越小，闭环增益的计算是在假定开环增益为无穷大时才成立的。
7、高内阻的信号源应选择低电流噪声的运放。
8、运放周围电阻越小，噪声和失调都越小，阻值选择的下限由前级驱动能力和功耗决定。
9、同一运放，增益越大，输出阻抗越大。
运放选用注意事项3
一、运算放大器参数的选择。
1、供电电源电压：
电压范围和是单电源供电；
2、小信号放大时，考虑运放的增益带宽积，并应留又足够的开环增益；
3、大信号放大是，要充分考虑信号的转换速率（压摆率）。
4、精度：
虽然失调电压误差可以通过软件校正，但应尽量选用失调电压较小的运放，这样会降低设计难度。
5、当电源阻抗或外部电阻网络阻值较大时，要考虑输入偏置电流的影响，同时零温漂的放大器可以进一步降低宽温度应用范围里的系统调零难度。
6、噪声：
失调可以在后端校正，而噪声无法校正，要充分考虑运放的
。
7、零点漂移和温度漂移：
直流应用时，多级直流放大器之间只能直接耦合，要求前段Q点稳定，以避免影响后级。
但前级的零漂和温漂妨碍了这一点。
因此必须选用调零端可方便调零和温漂小的运放，而输出噪声降为次要因素。
交流应用时，零漂和温漂可不必考虑，输出噪声或其他指标上升为主要因素，比如高速带宽运放的使用。
8、集成运放的调零问题
由于集成运放输入失调电压和输入失调电流的影响，当运放组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不为零。
为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运放的调零。
常用的调零方法有内部调零（如图a所示）和外部调零（如图b所示），对于没有内部调零端的运放，要采用外部调零方法。
图a内部有调零端的调零方法
图b内部没有调零的外部调零法
双极性输入型运放及CMOS运放的特性与限制
1、双极性输入的运放应用十分广泛，其中全部器件包括输入级都由双极性晶体管（三极管）构成。
其输入偏置和失调电流是数百nA，偏置电压典型值是10mV，开环输入阻抗是数百
。
2、CMOS运放有很高的输入阻抗，极低的偏置电流。
其失调电压较双极性运放要高一些。
CMOS放大器可以在轨至轨的范围内工作，因为其消耗功率小，适合于单电源和低电压应用。
与双极型相比，CMOS放大器的噪声一般更高。
3、BiFET运放是双极型场效应管（bipolar-field-effect）晶体管的缩写。
它结合了两种技术，在前端或输入级使用FETS，其它部分使用双极管。
因而可以得到比双极型更宽的带宽，更低的输入失调电流，更高的输入阻抗和更强的驱动能力。
但输入失调电压一般比双极运放更高。
运放的性能指标1
1、运算放大器的静态计数指标
1）输入失调电压VIO（inputoffsetvoltage）
输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压，VIO是表征运放内部的电路对称性的指标。
2）输入失调电流IIO（inputoffsetcurrent）
在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分输入电流的大小。
3）输入偏置电流IB（inputbiascurrent）
运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分对管输入电流的大小。
4）输入失调电压温漂
在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。
5）输入失调电流温漂
在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。
6）最大差模输入电压（maximumdifferentialinputvoltagevoltagential）
运放两端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时，差分管将出现反向击穿现象。
7）最大共模输入电压（maximumcommonmodeinputvoltage）
在保证运放正常工作的条件下，共模输入电压的允许范围。
共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。
运算放大器的动态技术指标
1）开环差模电压放大倍数（openloopvoltagegain）
运放在外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。
2）差模输入电阻（inputresistance）
输入差模信号时，运放的输入电阻。
3）共模抑制比（commonmoderejectionratio）
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之比，常用分贝表示。
4）-3db带宽（-3dbbandwidth）
运算放大器的差模电压放大倍数，在高频段下降3db所对应的带宽。
5）单位增益带宽（BWG）（unitgainbandwidth）
电压放大倍数下降到1时所对应的频率。
6）转换速率（压摆率）（slewrate）
反应运放对于快速变化的输入信号的响应能力。
7）等效输入噪声电压Vn（eguivolentnoisevoltage）
输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。
这一数值往往与一定的频带相对应。
运放的性能指标2
一、直流指标
1、输入失调电压VIO：
输入失调电压定义为集成运放输出端电压零时，两个输入端之间所加的补偿电压。
它实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。
对于加密运放或直流放大时，输入失调电压是一个十分重要的指标。
对于双极性工艺的运放，输入失调电压在
之间；采用场效应管作输入级的，VIO会更大一些。
对于精密运放一般在1mV以下。
2、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）
：
输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。
这个参数实际上是对输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
一般运放的
在
。
3、输入偏置电路IIB：
输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。
IIB对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。
双极性运放的IIB在
之间，采用场效应管作为输入端的，IIB一般低于1nA。
4、输入失调电流IIO：
输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。
IIO同样反映了运放内部电路的对称性，对称性越好，输入失调电流越小。
对于精密运放或用于直流放大时，它是一个十分重要的指标。
输入失调电流对于小信号精密放大或直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻（例如10k或更大时），输入失调电流是精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。
5、输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）：
它定义为在给定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。
这个参数实际上是对输入失调电流的补充。
该指标一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用于直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。
6、差模开环直流电压增益
它定义为当运放工作于线性区时，运放输出电压与差模输入电压的比值，一般运放的差模开环直流电压增益在80~120dB之间。
实际运放的差模开环直流电压增益是频率的函数，为了便于比较，一般采用差模开环直流电压增益。
7、共模抑制比
定义为当运放工作于线性区时，运放差模增益与共模增益的比值。
共模抑制比是一个十分重要的指标，它能够抑制差模输入中的共模干扰信号，一般运放的CMRR在80~120dB之间。
8、电源电压抑制比
定义为当运放工作于线性区时，运放输入失调电压随电源电压的变化比值。
9、输入峰-峰值电压：
定义为当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前大电源供电时，运放能够输出的最大电压幅度。
除低电压运放外，一般运放的峰峰值电压大于
。
一般运放的峰峰值电压不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的。
有的低压运放在输出级做了特殊的处理，使得负载端为
时，其二端电压接近电源电压的50mV以内，称为满幅输出运放，又称为轨至轨运放。
需要注意的是运放的输出电压峰峰值与负载有关，负载不同，输出峰峰值电压也不同；运放的正负输出端电压摆幅不一定相同。
10、最大共模输入电压
定义为与运放工作于线性区时，当运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。
一般定义为共模抑制比下降6dB时，所对应共模输入电压作为最大共模输入电压。
最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围。
9、最大差模输入电压：
定义为运放两输入端允许加的最大输入电压值。
当运放两输入端允许加的输入电压超过最大差模输入电压时，可能可能造成运放输入级的损坏。
二、交流指标
1、开环带宽
开环带宽定义为，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3dB，所对应的信号频率。
这个指标用于对很小信号的处理。
2、单位增益带宽
定义为运放的闭环增益为1倍的条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益，下降3dB（相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。
单位增益带宽等于输入信号的频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道了要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽。
它用于选择合适的运放，这用于小信号的处理中运放选型。
3、转化速率SR：
运放转换速率定义为运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。
在转换期间，运放的输入级处于开关状态，所以运放的反馈回路不起作用，也就是说转换速率与闭环增益无关。
它对于大信号处理是一个很重要的指标。
对于一般运放，转换速率SR<=10V/us。
目前的高速运放最高的SR达到6000V/us，这用于大信号处理中运放选型是很重要的。
4、全功率带宽BW：
定义为在额定负载下，运放的闭环增益为1倍的条件下，将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输入幅度达到最大（允许一定的失真）的信号频率。
这个频率受到运放转换速率的限制。
近视地，全功率带宽
（
是运放的峰值输出幅度），全功率带宽用于大信号处理中运放的选型。
5、建立时间
建立时间定义为，在额定负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个阶跃大信号输入到运放的输入端，使运放输出由0增加到某一给定值时，所需要的时间。
由于是阶跃大信号输入，输出信号达到给定值后，会出现一定抖动，这个抖动时间称为稳定时间。
稳定时间+上升时间=-建立时间。
对于不同的输出精度，稳定时间有较大差别，精度越高，稳定时间越长。
该指标用于大信号处理中的运放选型。
6、等效输入噪声电压
定义为屏蔽良好、无信号输入时的运放，在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。
这个噪声电压这算到运放输入端是。
称为运放的输入噪声电压。
对于宽带噪声普通运放的输入噪声电压有效值约为
。
运放交流指标的进一步说明
1、开环带宽
开环带宽定义为：
将一个恒幅正弦小信号输入到运放输入端，从运放输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3dB（相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。
这用于很小信号处理。
2、单位增益带宽
单位增益带宽定义为：
运放闭环增益为1倍的条件下，将一个恒幅正弦小信号输入到运放输入端，从运放输出端测得闭环电压增益下降了3dB所对应的信号频率。
eg：
如果设计一个带宽为DC-100MHz的放大器，放大电路的总增益为50倍，共三级放大，运算放大器的单位增益带宽为1GHZ，请问如何估算每一级运放的带宽？
Answer：
运放的增益带宽积=增益*（-3dB带宽），如果三级运放增益分配分别为2、5、5，对于第一级，它的-3dB带宽=1000MHz/2=500MHz；第二、第三级的增益都是5，那么它的-3dB带宽=1000MHZ/5/1.4=140MHz，所以，级联的总增益为
。
带宽为140MHz>100MHz，符合设计要求。
Note1：
估算放大器的带宽，要用到运放带宽积的概念，增益带宽积=增益*（-3dB带宽），按专家给出的以上计算方法即可估算带宽。
Note2：
第二、第三级运放带宽的第一种估算方法如下：
即级联运放-3dB上限频率带宽的计算方法如下：
第二级放大器的增益表达式：
，其中
为第二级-3dB带宽，第三级放大器的增益表达式为：
，其中
为第三级-3dB带宽。
这样，级联放大器的总增益表达式为：
设
所以
，其中
为级联放大器的-3dB带宽。
得到
因为
故
Note1：
对于同相放大电路，其3dB带宽=
2、对于反相放大电路，其闭环增益带宽
3、对于只有在仅存一个主极点的运放（主极点补偿），才会有增益带宽积=单位增益带宽
4、对于多于一个极点的运放，增益带宽>单位增益带宽。
Note2：
运放的可用带宽取决于增益。
（product）
Eg、如果一个运放的GBW为1MHz。
当它放大100倍时，可用带宽理论上只有10KHz。
这个规律只适用电压型运放（VFB），对于电流型（CFB）运放就不适用。
运放外围电阻的选择
精密应用时，应选用千欧姆级的电阻。
2、多数精密运放的输出电流驱动能力在数十毫安，难以带动百欧姆级以下的反馈电阻。
3、功耗也是重要原因，电阻越小，
会导致更大的功耗，精密类应用常常是低功耗要求，而且减少功耗可以避免分离元件和运放发热从而可以减少温漂误差
4、在反相和差分放大器中，要充分考虑运放和输入信号源的输入阻抗，由于反馈电阻网络的作用，使得运放的输入阻抗降低，这时选择
这是
收的电阻要看输入源的阻抗。
5、之所以双极型运放电阻可选
，JFET和CMOS型的电阻可选
，主要是双极型输入偏置电流比JFET、CMOS的大（双极型输入偏置电流一般是nA级，JFET和CMOS型输入偏置电流一般是pA级），输入偏置电流与输入电阻、反馈电阻作用后会产生失调电压。
6、但是电阻不是越大越好，选择大的电阻要小心其热噪声，电阻热噪声常常成为精密运放电路的主要噪声来源。
高速应用时，一般选择
或
级的电阻。
1、高速应用时，不能选择K欧姆级的电阻的一个重要原因是，输入和输出寄生电容和大电阻作用后，会大大降低运放的带宽，甚至在反馈系统中，引入低频（相对于高速运放的单位增益带宽而言）极点，使得运放不稳定。
2、高速应用时，输入源阻抗一般是
，容易匹配。
3、高速运放带负载能力强，百欧姆级以下的反馈电阻通常不是问题。
VFB（电压反馈型）运放和CFB（电流反馈型）运放的区别
如果比较CFB型运放和VFB型运放，你会发现VFB型运放在某些方面，具有一定的优势。
利用电流反馈拓扑可知，输入偏置电流并没有系统的配置。
同相输入比反相输入阻抗更大，通常具有更低的输入偏置电流。
反相输入偏置电流通常比较大，如果偏置电流必须流过大电阻的话，这样做可能导致输入电压偏移。
如果需要高精度的输入偏置电压，那么VFB型运放通常是较好的选择，但其使出电流带负载能力弱，CFB型运放则带负载能力强。
CFB型运放的缓冲器配置需要一个反馈电阻，而VFB型运放可以采样直接短路连接，CFB型运放的反馈环路中，电容会引起不稳定，一些常用的电路拓扑不适合于CFB型运放，对于大多数这些电路，需要重新设计原理图以满足CFB型运放工作需求。
集成电路的振荡问题
运算放大器是一个高增益的多级放大器，随着频率的上升，附加相移会越来越大，可能使负反馈变成正反馈而满足振荡的相位条件。
如果接成深度负反馈，而AF>1,又很容易满足振荡的幅度条件，从而产生自激振荡。
为使放大器能够正常工作，首先要避免元器件布局、布线不合理带来的正反馈，要尽量减小分布电容，降低个接地点之间的地线阻抗，然后才考虑进行内部补偿或外加相位补偿网络以消除自激振荡。
尤其在CFB型运放等高速器件的选用中，要仔细考虑的事情之一就是电路本身的布局线设计。
表面安装的陶瓷电源旁路电容要非常靠近该器件，典型距离小于3mm。
下面的电路是VFB型放相位补偿使用电路的一个例子
为了防止其它电路的信号通过公共电源内阻耦合进入运放，造成它激低频振荡或高频振荡，应在集成运放的正、负供电源的输入端对地分别加入一电解电容（10uf）和一高频滤波电容（0.01uf）。
Note1：
一般而言，CFB的稳定性取决于反馈电阻
的取值，
的电阻值越小，带宽越宽，输出噪声降低，但稳定性减小。
电阻值增大，稳定性增加。
通常，
的取值随不同的CFB的不同而变化。
2、对于VFB，输出产生振荡时，一般做法是在
二端并联pF级电容，以补偿相移，消除振荡，这样做法在CFB上是绝对禁止的。
3、
对于CFB，TI公司推荐做法是使用6.8uf电解电容和0.1uf的陶瓷电容并联，放在工作电源引脚盘，并特别强调0.1uf靠近电源引脚。
电容的阻抗特性及去耦电容的作用
电容模型如右图所示，电容的阻抗特性可在系统最敏感
的频率上形成低通滤波器。
非理想电容模型的阻抗在自谐振频率
处下陷，自谐振时容抗和感抗相互抵消，只留下阻性分量。
。
当外加信号频率大于
时，阻抗随f增加而呈感性
。
因此，滤波器中的电容当工作在接近或高于
时，此种特性会令滤波效果变差。
但是如果选择旁路电容将特定的高频分量
旁路接地，则此时电容的自谐振特性就可以派上用场了。
注意，在非理想电容模型中，阻抗的最小值通常取决于其自谐振频率和低引脚电感。
故最佳选择是表面贴电容。
去耦电容在集成电路电源和地之间有两种作用：
一个是本集成电路的蓄能电容，它可以减少本级信号通过电源引脚耦合出去干扰其他电路；另一个作用是旁路掉其他电路耦合过来的噪声。
数字电路中典型的去耦电容是0.1uf。
这个电容的分布电感的典型值是5uH，因此自谐振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果，对于40MHz以上的噪声几乎不起作用。
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