运放的主要参数及选型.docx

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运放的主要参数及选型

运放的主要参数及选型

运放的主要参数介绍

本节以《中国集成电路大全》集成运算放大器为主要参考资料，同时参考了其它相关资料.集成运放的参数较多，其中主要参数分为直流指标和交流指标。

其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。

主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。

1.直流指标

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为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。

输入失调电压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。

输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。

输入失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入失调电压在±1~10mV之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。

对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。

输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。

所以对于精密运放是一个极为重要的指标。

输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）αVIO：

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。

这个参数实际是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。

一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。

输入偏置电流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。

输入偏置电流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。

输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。

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。

输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。

输入失调电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。

输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。

输入失调电流对于小信号精密放大或是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），输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。

输入失调电流越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。

所以对于精密运放是一个极为重要的指标。

输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）：

输入偏置电流的温度漂移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。

这个参数实际是输入失调电流的补充，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。

输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用以直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。

差模开环直流电压增益：

差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时，运放输出电压与差模电压输入电压的比值。

由于差模开环直流电压增益很大，大多数运放的差模开环直流电压增益一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。

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。

共模抑制比：

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。

共模抑制比是一个极为重要的指标，它能够抑制差模输入==模干扰信号。

由于共模抑制比很大，大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较。

一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。

电源电压抑制比：

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。

电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。

目前电源电压抑制比只能做到80dB左右。

所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时，运放的电源需要作认真细致的处理。

当然，共模抑制比高的运放，能够补偿一部分电源电压抑制比，另外在使用双电源供电时，正负电源的电源电压抑制比可能不相同。

输出峰-峰值电压：

输出峰-峰值电压定义为，当运放工作于线性区时，在指定的负载下，运放在当前大电源电压供电时，运放能够输出的最大电压幅度。

除低压运放外，一般运放的输出输出峰-峰值电压大于±10V。

一般运放的输出峰-峰值电压不能达到电源电压，这是由于输出级设计造成的，现代部分低压运放的输出级做了特殊处理，使得在10k负载时，输出峰-峰值电压接近到电源电压的50mV以内，所以称为满幅输出运放，又称为轨到轨（raid-to-raid）运放。

需要注意的是，运放的输出峰-峰值电压与负载有关，负载不同，输出峰-峰值电压也不同；运放的正负输出电压摆幅不一定相同。

对于实际应用，输出峰-峰值电压越接近电源电压越好，这样可以简化电源设计。

但是现在的满幅输出运放只能工作在低压，而且成本较高。

最大共模输入电压：

最大共模输入电压定义为，当运放工作于线性区时，在运放的共模抑制比特性显著变坏时的共模输入电压。

一般定义为当共模抑制比下降6dB是所对应的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，在有干扰的情况下，需要在电路设计中注意这个问题。

最大差模输入电压：

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差。

当运放两输入端允许加的输入电压差超过最大差模输入电压时，可能造成运放输入级损坏。

2.主要交流指标

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（或是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。

单位增益带宽GB：

单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，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（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。

单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。

这用于小信号处理中运放选型。

转换速率（也称为压摆率）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。

由于在转换期间，

输出阻抗：

输出阻抗定义为，运放工作在线性区时，在运放的输出端加信号电压，这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。

在低频时仅指运放的输出电阻。

这个参数在开环测试。

运放的选择策略

（1）设计目标的综合考虑

　　设计者必须综合考虑设计目标的信号电平，闭环增益，要求精度，所需带宽，电路阻抗，环境条件及其他因素，并把设计要求的性能转换成运放的参数，建立各个参数的取值以及它们随温度、时间、电流电压等变化的范围。

（2）深刻理解电路手册中特性指标的意义

　　不同的制造商可能给出不同的特性指标，这些指标可能是通过不同的测量技术获得的，这就给运放的选择带来了困难。

为避免这些困难，设计者必须深刻理解电路手册中特性指标的意义，同时必须了解这些参数是如何测得的，然后把这些特性指标转换成对设计要求有意义的参数。

　　（3）选择具有最优性能价格比的运放

　　设计者必须把设计目标的性能、所选择器件的性能指标与价格联系起来，以最低的价格获得符合设计目标提出的物理、电气和环境要求。

　　运放的分类与几种典型应用

　　不同类型运放组成近百种运放系列，其中一部分是通用的，称为通用型运放：

另一部分为特殊应用提供优化特性，称为专用型运放。

通用型运放的各项性能指标都比一般的分立元件直接耦合放大电路有所改善，大致能够满足中等精度的要求，一般情况下无须调零即可使用。

专用型运放为了适应特殊应用场合而具有优化特性。

根据专用型运算放大器的性能指标，运算放大器可分为：

低噪声运放、精密运放、高速运放、低偏置电流运放、低漂移运放、低功耗/微功耗运放等。

现在说明几种不同类型的专用型运放及其应用技术。

　　低噪声运放及其典型应用技术

　　以AD797为例。

它是低噪声、场效应管输入（FET）运算放大器，最大输入电压噪声最大值50nVpp。

　　AD797组成的低噪声电荷放大器见图1。

此时放大作用取决于运放输入端电荷的保持因素，即要求电容CS上的电荷能被传送到电容CF，形成输出电压ΔQ/CF。

在放大器输出端呈现的电压噪声等于放大器输入电压噪声乘以电路的噪声增益（1+（CS/CF））。

　　图1　AD797组成低噪声电荷放大器

　　该电路中存在3个重要的噪声源：

运放的电压噪声、电流噪声和电阻Rb引起的电流噪声。

该电路利用“T”形网络增大Rb的有效电阻值，改善了低频截止点，但不能改变低频时起支配作用的电阻Rb的噪；须选择足够大的Rb尽可能减小该电阻对整个电路噪声影响。

为了达到最佳特性，电路输入端要对信号源内阻进行平衡（由电阻RB1调整）；要对信号源电容进行平衡（由电容CB1调整）。

当CB1值大于300pF时，电路噪声能有效减小。

　　精密运放及其典型应用技术

　　以AD517为例。

它是一种单片高精密运算放大器，具有激光调整的低失调电压、低漂移等精密特性，具有内部补偿和短路保护，能防止自锁，具有超低偏置电流电路，偏置电流最大值1nA。

管壳单独引出（8脚），使得管壳能单独接到和输入端等电位的点上，从而使管壳上杂散漏电减至最小；能屏蔽输入电路，使其不受外部噪声和电源瞬变的影响。

　　AD517组成微电流电压转换器的应用技术如图2所示，该电路具有较高的灵敏度，缺点是失调电压漂移和噪声等输入误差会被增益放大，影响仪器性能，但AD517的精密特性可以弥补这个缺憾。

由于AD517具有超低输入电流的性能，必须采用防护技术，实现方法是在包裹高阻抗信号线的绝缘材料外部加一个低阻抗自举电位，这个自举电位与高阻抗线的电位保持相等，使绝缘体两侧没有压降，也就没有漏电。

防护体可作为屏蔽层减少噪声拾取，并具有减少输入线有效电容的附加功能。

AD517的管壳单独引到管脚8，使管壳也能接到防护电位上，从而真正消除了封装绝缘材料上的电位漏电路径，为敏感电路提供噪声屏蔽。

该电路给出了典型的反相防护连接图，如果管脚8不接防护端，则应将它接地或接电源以减少噪声。

在许多仪表测量的场合，会遇到从高电压源测量微弱电流的问题，在该类应用中，很有必要对输入端采取一定的保护。

AD517具有不同于其他器件的地方，故障形式是由于电流过大导致器件过热而不是电压击穿，只要在受影响的输入端串联一个电阻即可解决问题。

实际应用中，所设计仪器仪表的电路板安装完毕后，通常要用高纯度酒精彻底清洗，然后用消除电离的水漂清，再用氮收干，这样可保持漏电最小，性能最佳。

　　图2　AD517组成微电流电压转换器

　　视频运放及其典型应用技术

　　以AD829为例。

它是采用互补双极型（CB）制造工艺的单片视频运算放大器，具有优异的直流特性，最大输入失调电压1mV，输入失调电压漂移0.3μV/℃，输入电压噪声为1.7nV/Hz，输入电流噪声为1.5pA/Hz，共模抑制比和电源电压抑制比均为120dB；具有常规补偿；具有优良的建立时间特性（至0.1%为90ns）：

反相端驱动50Ω或75Ω同轴线时，AD829在3.58MHz和4.43MHz的相位不均匀性为0.04°，增益不均匀性为0.02%。

　　图3　视频放大的典型应用

　　视频放大的典型应用如图3所示，此为同相输入，可以通过改变接到管脚2的两个电阻RF和R1阻值的大小来调节整个电路的增益20lg1+RFR1，也可接成反相输入。

管脚7接正电源，管脚4接负电源，应注意采用合适的电源退耦，最好采用多个电容并联的形式（如1μF、0.1μF、0.01μF并联组合），使用±5V电源时，能获得最低的差分增益和差分相位误差，取得优良的视频性能。

当驱动多根电缆时，须在电缆的输出之间加入高频隔离。

放大器输出端串入75Ω电阻保证运放输出与传输线的匹配，传输线末端并入75Ω电阻保证负载之间匹配，在增益G=6dB时，差分增益误差0.05%，相位增益误差0.01°，视频性能优良。

注意，为减小信号源内阻与放大器输入电容（约3pF）对电路交流特性的影响，应使信号源内阻小于1kΩ；有时需要在反馈电阻RF两端并联一个小电容（3pF）加以补偿，若采用标准NTSC或PAL或SECAM制式，且电路增益小于10dB和反馈电阻RF值小于500Ω，则补偿电容可以不要；通常情况下，反馈电阻RF值小于1kΩ以有效减小放大器寄生电容对高频特性的影响。

电压转电流

0~5V/4~20mA电压电流转换典型电路

希望对大家的学习有点儿促进作用!

实际应用时,可以在0~5V输入端并一只10K电阻,可以解决部分网友发生输出不可调整的问题.

零点调整电位器上端至电源间的100K电阻换成51K即可.

简要说明：

    为提高抗干扰能力，模拟信号经常采用4~20mA电流信号进行远距离传输。

本电路的功能是将0~10V的输入电压信号ui转换成4~20mA的电流信号Io供长距离传输用。

思考题：

    1．电路中电位器W1、W2和W3的作用各是什么？

怎样相互配合调整才能使输出范围为4~20mA。

    2．图中第2级放大器的增益应如何计算？

（难点）

回答：

1，             首先说明，按照你提供的参数是不能正常工作的！

2，             N1在输入10V时会反相饱和导通。

原因是你在抄袭电路时，将R2，W1的阻值搞错了。

3，             第1级N1是反相衰减是放大器，应该将输入的0～10V电压信号变成负0～1.6V的信号。

增益A=-（RF/Rf）Ui

           RF=R2+W1=1.5KΩ+200Ω

           Rf=R1=10KΩ

此时   A=-（1.6/10）Ui=0.16（0~10V）=0~1.6

4,第2级N2是反相加法器，在接受前级输入的-0~1.6V同时与零点基准电压W2取来的-4V电压相加后，再与反馈电压VR11（0.4~2V）比较取得平衡，从而达到稳定输出电流的目的。

加法器电路是一个典型的反相加法放大器，输出电压Eo可以有以下公式表示：

   Eo=-[Vi1（RF/Rf1）+Vi2（RF/Rf2）]

式中   Eo   输出电压

       Vi1  前级来的信号电压（-0～1.6V）

       Vi2  系统零点基准调节电压（-4V）

       RF  加法器反馈电阻（10KΩ+600Ω）

       Rf1  前级信号输入电阻（10KΩ）

       Rf2  基准调节电压信号的输入电阻（100KΩ）

由于后一级电路要求，反相加法放大器是一个1：

1的加法电路。

所以

    Eo=-[Vi1（RF/Rf1）+Vi2（RF/Rf2）]

      =-[Vi1（10.6/10）+Vi2（10.6/100）]

      =-[0~1.6（1~1.06）+4（0.1~0.106）]

      =-[0~（1.6~1.696）+（0.4~0.424）]

       =-0.4~（2~2.12）V

反馈电压VR11=（4～20mA）100Ω=0.4~2V

A,首先调整W2，使输入信号在0时，输出信号为4mA。

最好精确测量W2的调节输出为4V。

B,再输入10V信号，调节W1使输出信号为20mA。

C,再将输入信号降为0，观察输出信号是否回到4mA。

如果偏离4mA,可微调W3使输出为4mA。

D,重复B,C,直到输入0～10V，输出4～20mA即可。

所以，W1=量程满度电位器；W2=零点调节电位器；W3=校正电位器。

电流转电压

积分电路方法

电压可以看作是电流的积分，利用如图电路有：

为保证精度，选取运放时尽量找输入阻抗大的。

该电路常用于PID调节，积分电路成熟且放大倍数和精度较好。

但要注意这种电路输出电压和输入电流的相位是相反的。

运放直接搭接的方法（跨阻放大器）

充分利用运放“虚短”和“虚断”的概念，将电流转换为电压信号，如图电路

电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为

这种方法避免了运放输入失调电压和输入偏置电流和失调电流影响带来的积分误差。

也避免了电容的漏电流带来的误差。

但未获得稳定的高精度放大，对电阻和运放的精度要求较高。

三极管方法

三极管同样具有放大能力，但应用上多采用运放。

电路如图

下面以实际的例子叙述整个实现过程。

尝试将一个0~5A信号转换为0~5V信号。

最简单的是加一个1欧的电阻，但这样发热功率过大，所以需要采用电流互感器将原先的电流变小。

按照一般互感器指标是输入0~10A信号，变比为200：

1，即0~5A的信号变为0~25mA。

下面采用运放直接搭接的方法实现转换。

考虑到相位的问题，对电路作了改进。

利用50欧电阻在正端产生的电压与负端相等的条件，并利用运放的放大功能，实现最终要求的。

如图。

另外，用集成运放OP27为的是得到更高的运算精度；50欧的电阻是前端互感器带负载要求。