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运算放大器实战入门 上 云南大学信息学院 何乐生 2010 4 为什么运算放大器如此重要 它几乎是一切中低频模拟电路的核心 可以说用好了运算放大器就可以设计大部分的模拟电路 为什么运算放大器如此重要 运算放大器主要的优点和缺点 本讲座的主要内容 对设计者而言 运算放大器到底能解决什么问题 在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要 它们怎样影响实际设计 我们常用的运放有哪些 各自在什么时候用 怎么对它们进行分类 运放电路设计时的基本原则有什么 运算放大器典型应用电路分析 本讲座的主要内容 对设计者而言 运算放大器到底能解决什么问题 在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要 它们怎样影响实际设计 我们常用的运放有哪些 各自在什么时候用 运放电路设计时的基本原则有什么 运算放大器典型应用电路分析 运放到底能干什么 运放几乎能够解决 模拟电路基础 书中又有的问题 但诸如模拟减法器 乘法器 ADC等应用由于需要精密的阻容元件 几乎无法在实际设计中使用 好在模拟半导体供应商已经将大部分上述功能做成了集成电路 无需我们在设计中用单独的运放来完成 因此总结起来将 作为一个系统设计者而言 运放主要应用在以下方面 运放能为设计者解决什么问题 对于生物医学工程 自动控制和功率电子等低频应用 运算放大器能解决的问题可以说是万变不离其宗 信号放大 阻抗变换 在反馈控制电路中充当比较环节 模拟滤波器 本讲座的主要内容 对设计者而言 运算放大器到底能解决什么问题 在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要 它们怎样影响实际设计 我们常用的运放有哪些 各自在什么时候用 运放电路设计时的基本原则有什么 运算放大器典型应用电路分析 运算放大器的主要参数 运算放大器的数据手册中各种参数 令人眼花缭乱 达到近百种 有些参数其实不一定很有用 本讲座只重点介绍几种 同时还要指出 通过举例 指出这些参数对常见设计的影响 常见型号运放的这些参数值是多少 偏置电流IB 理想运放的输入阻抗是无穷大 也就是没有输入电流 但实际上不可能做到 因此定义从同相端流入 反相端流出的电流较偏置电流 偏置电流对运放的性能较大 主要体现在 直接影响运放的输入阻抗 体现为在影响输出的静态工作点 随温度漂移较大 致使系统不稳定 性能随温度变化 怎样对付IB 右图是教科书上常见的一种做法 R3本来没有任何意义 但这里用来平衡IB带来的对工作点的影响 试想 没有R3 且输入为地 输出也应该在工作点 地 附近 但IB会使输出不为地 加入R3后 同相和反相端的输入电阻平衡了 这样会使输出重新等于地 但是现代运放的IB较小 性能一般的LM358可以做到250nA以下 这样在5k电阻上只产生1 25mV的工作点偏移 可以不考虑 因此现在通常情况下 可以不使用上述电路了 只需要考虑输出电阻非常大的情况 例如 IB对心电放大器的主放大级的影响 偏置电流将在阻值为1M的电阻RMA1上产生误差电压 且这个电压会被放大器的增益放大 如果仍然使用LM358则同相端将由于IB产生0 25V的误差 这个误差再被放大后将在输出脚变成25V偏差 如果电源电压足够高的话 这会使整个放大器失效 CMOS和JFET运放的IB一般较小 MCP6002 CMOS 的偏置电流可达1pA左右 TL082 JFET 的偏置电流可达50pA以下 TLC2272 JFET 的偏置电流可达1pA左右 失调电压Vo 指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压 它反映了运放本身输入级的匹配程度 它本身并不大一般在5mV以下 精密运放一般可以达到100uV以下 目前最高精度的运放可以达到1uV以下 由于运放出厂后Vo基本不会变化 所以Vo只会对增益较大的直流应用产生影响 Vo对心电放大器的主放大级的影响 前级的仪用放大器输出的信号经过高通滤波器后进入主放大级的同相端 如果仅考虑直流情况 同相端将等于REF1 5 这样输入端将叠加上Vo放大101倍的结果 从而直接影响主放大器输出信号的直流点 因此心电放大器的主放大器必须是一个偏置电流足够小 失调电压也较小的高性能运放 关于 偏置 和 失调 偏置 Bias失调 Offset这是两个非常容易混淆的概念 记住偏置指两个量的平均值 共有部分 而失调是指两个量的差 不同部分 可以容易的区分 对应输入电流和电压还应该有 失调电流 和 偏置电压 两个概念 但 失调电流 一般小于电流偏置 电压偏置是由输入信号决定的 所以这两个参数并不常用 相关概念的比较 IB和Vo的温漂 正如上面分析的IB和Vo主要影响运放输出的工作点 但这种影响是固定的 也就是说 当运放被选定后IB和Vo引起的工作点的偏差也就固定了 这样的误差是可以通过人工调整去除 还好对付 但IB和Vo的温漂是指IB和Vo随温度变化的大小就是一个几乎不可去除的因素了 因为它们总在变化 因此对于特别精密 且工作环境温度变换较大的电路IB和Vo也是考虑的重点 相关概念的比较 转换速度 压摆率 SR SR是运放输出信号上升的最快速度 SR对运放应用的影响主要在两方面 对幅度较大的正弦输入 SR较小时可能造成信号失真 产生一个数字信号时 比如用运放做比较器时 输出的数字信号上升沿不够陡峭 SR和大幅度的正弦信号 正弦信号的最大上升速度出现在过零点处 且信号幅度越大 这个地方的上升速度也就越大 根据计算可知 SR和正弦信号频率f以及幅度V0之间有以下关系 SR 2 fmax V0 输出做为数字信号的运放的SR 做为跟随器的运放OPArA的SR的大小将直接影响输出数字信号的大小 因此做为这种应用的运放要选择SR较大的信号 常见运放的SR LM358 LM324的SR仅有0 5V uS左右 MCP6002的SR也仅有0 5V uS左右 音频运放的SR较高 因为据说有的耳朵能够听出SR的高低 TL082的SR达到13V uS TL2272的SR达到3V uS LF356的SR达到13V uS 输入和输出电压范围 运放是一种 线性器件 这意味着在任何情况下 不允许输入电压高于或低于电源电压 输出也不可能高于或低于电源电压 在满足上述条件的情况下也并不意味着 输入电压可以达到或接近电源电压 输出电压可以达到或者接近电源电压 实际上在经典的技术中输入和输出的最大电压都必须距离电源1 5V左右 TL082就属于这类经典器件 输入和输出电压都必须距离电源一定范围 如果输入过大还将引起 翻转 现象 但随后出现了一个非常著名的运算放大器 LM358 LM324 LM321 它是美国国家半导体公司的标志性产品 它具有一个非常优秀的特性 LM358的输入和输出可以达到甚至超过负电源 关于单电源和双电源 随着LM358这类输入和输出范围可以达到电源的运放的引入 运放中出现了一个新的概念 单电源 运放 其实从本质上讲 运放只需要一对分别接在电源脚上的电源 且所有的输入和输出都不可以超过这对电源的范围 因此 没有什么单电源和双电源之分 引申的概念 例如 诸如TL082之类的运放如果应用到单电源的系统中 只要工作点选择合适 完全是可以的 关于单电源和双电源 关于单电源和双电源 但这样做会带来一个问题 输入和输出信号的范围会减小很多 更为严重的是上图电路的信号范围无法达到GND 这是绝大多数单电源系统无法忍受的 而如果使用LM358这些输入输出范围可以达到负电源的运放则没有这个问题 于是就将这些输入和输出范围可以达到负电源的运放称为 单电源 运放 电源电压范围 这个概念通俗易懂 就是指工作时允许的电源电压 但很重要 因为随着嵌入式系统的普及 以及利用数字CMOS圆晶的下脚料制作运放的风气的兴起 运放被明显的分为高电压型和低电压型 电源电压范围 低压型的电源范围一般在1 8 5 5V左右 我们常用的以MCP6002为代表 高压型的是较早的型号 没有固定值 典型的常用型号电源范围 LM358等5V 32VTL0829V 30VTLC22724 5V 16V 轨到轨 Rail Rail 的引入 在3V电源的系统中 再使用LM358之类经典运放 则3V的模拟电路工作范围将有很大一部分浪费在输入和输出无法达到的 头 和 脚 上 于是一种称为 轨到轨 Rail Rail 的技术应运而生 这种技术允许输入或输出允许电压达到或者非常接近电源电压 轨到轨 轨到轨的运放分为 输出轨到轨 和 输入 输出轨到轨 两种 原因是输入轨到轨会引起失调电压的变化 从而带来不必要的谐波失真 因此有的应用不能选用 使用轨到轨运放时 值得注意的是 能够不用输入轨到轨的时候尽量少用 轨到轨虽然意味着输出电压可以达到电源 但在接近电源电压时运放的输出能力将远远小于正常值 心电放大器中的这个主运放其实最合适使用 输出轨到轨 的运放 因为它的增益很大 这样输入一般不可能达到电源 但输出为了充分利用3V的电源 提高后续ADC的利用率 则需要使用轨到轨功能 也就是说更合适用OPA2335 但价钱不可同日而语 这是一个失败的设计 本来先通过数字电位器和电位器调节OPA的同相输入电压 从而达到控制LM317公共端的目的 进而控制LM317的输出电压 但没有注意到OPA在接近负电源轨也就是地时输出电流很小 无法驱动RP1流入的电流 从而无法使运放的输出达到地 也就无法使LM317输出其最低电压 1 25V 轨到轨运放举例 TLC2272就属于输出轨到轨的运放 OPA2355也属于输出轨到轨的运放 低电源电压运放 1 8 5 5V 则绝大多数属于 输入 输出轨到轨 的运放 例如 MCP6002OPA2333 本讲座的主要内容 对设计者而言 运算放大器到底能解决什么问题 在运算放大器令人眼花缭乱的众多参数中那几个最最重要 它们怎样影响实际设计 我们常用的运放有哪些 各自在什么时候用 怎么对它们进行分类 运放电路设计时的基本原则有什么 运算放大器典型应用电路分析 运放的分类 速度 精度分按输入结构分电源分 按速度和精度分 大公司网站一般按照 高速 和 高精度 的原则对运放进行分类 高速放大器指带宽在20MHz以上的放大器 这类放大器除了带宽较宽以外 失调电压较大 偏置电流也较大 所需电源电流较大 但转换速度也大 高速运放又分为电流反馈型和电压反馈性两种 我实验室并不常用 高精度运放 高精度运放则具有 较小的失调电压 偏置电流 较大的开环增益 所需电流也较小 本试验室常用 下面的几种分类主要针对高精度运放进行 按输入结构工艺分类 按结构或者说半导体工艺来分类 目前常见的运放有以下三种 完全双极性工艺的运放 具有JFET输入的运放 MOS FET工艺的运放 双极性工艺 在三种基本的工艺中 双极性工艺是最古老的半导体工艺 它完全由普通三极管构成 因此其具有 优势 工作电压范围宽 失调电压小 带宽宽成本较低 劣势 耗电高 偏置电流大 双极型工艺 例如 LM358家族 OP07 uA741 MC34072等等 J FET输入的工艺 为了增加运放的输出电阻 降低偏置电流 将双极性工艺的运放的输入级变为结型场效应管 当随之而来的是J FET输入的栅极电压很难一致 需要激光修正 从而提高了成本 优势 偏置电流小 由于偏置电流小所以具有低的电流噪声 在音频领域有良好的应用 劣势 失调电压大 经过特殊工艺调整可以降低 需要较高的工作电压 带宽窄 成本较高 J FET工艺 例如 LF家族 TL082等 OPA627 最贵的运放 AD8620等等 MOS FET工艺 MOS工艺的运放近年来兴起的工艺 它是在利用制造数字IC剩余的圆晶面积上制造运放 因此多是一些数字电路厂商在生产 如TI Microchip等 优势 MOS输入偏置电流小 功耗极低 成本极低 劣势 失调电压较大 经过特殊工艺调整可以降低 只能工作在很低的电压 带宽窄 MOS FET工艺 这类运放特别适合嵌入式系统 因为工作电压低 正好适合电池系统 MOS工艺很低的工作电流 也满足系统节电的需求 低廉的成本适合量产产品控制成本 较大的失调电压对于便携产品则不太重要 TI是第三大的半导体商 模拟电路则是全球第一 因此TI拥有最为繁多的MOS运放 MOS FET工艺 例如 MCP6002 TLC2272 TLV2462等等 三种工艺的比较 LM358LM324 最常见的一种运放 成本很低 一元以下 工作电压范围很宽 最大特点是输入和输出范围可以达到地甚至低于地 缺点是带宽较窄 约1MHz 失调电压和偏置电流都比较大 转换速度也非常低 约0 2V uS 电源电压最低可以达到单3V TL082LF356LF353 常见的J FET运放 TL082 TI 和LF356 LF353的性能很接近 价格也较接近 输入阻抗达到10 12 左右 转换速度在10V uS左右 失调电压可以达到10mV 带宽为5 10MHz 电源电压需要 5V以上 MCP600X Microchip公司的低成本CMOS运放 价格在1元左右 电源电压为1 8 5 5V 轨到轨输入和输出 工作电流仅100uA左右 输入电阻达到10 13 左右 比JFET高一个数量级 失调电压可达5mV 带宽仅1MHz 转换速度仅0 6V uS OP07 经典的高精度运放 双极型工艺 各个公司退出OP07的兼容升级版本 如ADI公司的OP27 OP37 TI公司的OPA77等等 失调电压在100uV以下 速度很低 带宽仅0 4MHz 转换速度仅0 3V uS 电源电压 3V以上 AD8552 号称世界上最精密的运放 取代斩波式 失调电压达到1uV以下 偏置电流10pA 轨到轨输入和输出 电源电压2 7V 5 5V 共模抑制比140dB 电源抑制比130dB 带宽仅1MHz 上升速度0 5V uS 谢谢