集成运放全整理.docx

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集成运放全整理

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一.运放的选择

通常情况下，在设计集成运放应用电路时，没有必要研究运放的内部电路，而是根据设计要求寻求具有相应性能指标的芯片。

因此，了解运放的类型，理解运放主要性能指标的物理意义，是正确选择运放的前提。

应根据以下几方面的要求选择运放。

1．信号源的性质

根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围等，选择运放的差模输入电阻rid、－3dB带宽（或单位增益带宽）、转换速率SR等指标参数。

2．负载的性质

根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值。

对于容性负载或感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响。

3．精度要求

对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往提出精度要求；如电压比较，往往提出响应时间、灵敏度要求。

根据这些要求选择运放的开环差模增益Aod、失调电压UIO、失调电流IIO（值小表明直流特性好）及转换速率SR（越大反映交流特性好）等指标参数。

故对音频视频交流信号电路选转换苏柳较大的的，对处理微弱直流声信号电路宜选用失调电流失调啊电压和温漂较小的。

4．环境条件

根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的失调电压及失调电流的温漂dUIO/dT、dIIO/dT等参数；根据所能提供的电源（如有些情况只能用干电池）选择运放的电源电压；根据对功耗有无限制，选择运放的功耗；等等。

根据上述分析就可以通过查阅手册等手段选择某一型号的运放了。

不过，从性能价格比方面考虑，应尽量采用通用型运放，只有在通用型运放不满足应用要求时才采用特殊型运放。

二.使用时必做的工作

1．集成运放的外引脚（管脚）

目前集成运放的常见封装方式有金属壳封装合双列直插式封装，而且以后者居多。

双列直插式有8、10、12、14、16管脚等种类，虽然它们的外引线排列日趋标准化，但各制造厂仍略有区别。

因此，使用运放前必须查阅有关手册，辨认管脚，以便正确连线。

2．参数测量

使用运放之前往往要用简易测试法判断其好坏，例如用万用表中间挡（“×100Ω”或“×1kΩ”挡，避免电流或电压过大）对照管脚测试有无短路和断路现象。

必要时还可采用测试设备量测运放的主要参数。

3．调零或调整偏置电压

由于失调电压及失调电流的存在，输入为零时输出往往不为零。

对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在零输入时输出为零。

对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。

4．消除自激振荡

为防止电路产生自激振荡，应在运放的电源端加上去耦电容。

有的集成运放还需外接频率补偿电容C，应注意接入合适容量的电容。

三、集成运算放大器的主要参数

  开环放大倍数AVO：

无反馈时集成运放的放大倍数。

闭环放大倍数AVF：

有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。

其数值根据具体电路的反馈情况来计算。

输入失调电压VIO：

输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。

一般为毫伏级。

它表征电路输入部分不对称的程度，VIO越小，运放性能越好。

输入失调电流IIO：

输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。

其值为两个输入端静态基极电流之差。

输入偏置电流IIB：

输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。

一般为微安数量级，IIB越小越好。

开环电压放大倍数AVO：

电路开环情况下，输出电压与输入差模电压（Vid=Vi1-Vi2;共模电压Vic=（Vi1+Vi2）/2）之比。

AVO越大，集成运放运算精度越高。

一般中增益运放的AVO可达105倍。

开环输入阻抗ri：

指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。

ri越大，运放性能越好。

一般在几百千欧至几兆欧。

开环输出阻抗ro：

电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。

ro越小，运放性能越好。

一般在几百欧左右。

共模抑制比KCMR：

电路开环情况下，差模放大倍数AVD与共模放大倍数AVC之比。

KCMR越大，运放性能越好。

一般在80dB以上。

输出电压峰-峰值VOPP：

放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。

静态功耗PD：

电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。

开环频宽BW：

开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3dB所对应的频宽

四、集成运放的使用和保护措施

1、集成运放的零点调整方法：

将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。

不改变精密运放漂移的失调调零电路如图（a）和（b）所示。

图（a）为低漂移精密运放，图（b）为加法器失调调零电路。

由图（b）可知当R4=RF2时，Av2=1即为跟随器。

对于图（a），若R1=R2=1kΩ，R3=RF1=1MΩ，则Vol=R3／（R2R3）·（1RFl／Rl）·Vi2-RFl／Rl·Vil。

显然Al的电压增益很大，因而其输出电压中将含有A1的失调电压。

当把A1的输出加到A2的输入端时，在A2的输出端就包括两级（A1和A2）的失调电压成分。

A2的反相输入端外接R5和电位器Rp，它们构成失调调零网络，Rp的两端分别加±l5v的电源电压，调整电位器Rp的滑动臂。

可微调A2的偏置电流，故可使A2的失调输出为零，因A1的增益大，A2的Av2=-1，因而Vo中的失调电压主要决定于A1，同时，因为A2的失调电压输出较小．故A2可采用一般通用的集成运放，而A1需采用高精度的集成运放。

这种调零方法具有通用意义。

应用输入端的调零电路一：

图（a）是一种较简单的电路，它利用输入电阻R1和反馈电阻R2作为衰减网络的一部分，连同电阻R3在反相输入端产生一个可变的失调电压。

该电压由R3和R1∥R2分压。

电位器R4两端接±15V电源，上述分压比约为1000／1．即可以得到±15mV的失调电压范围。

对于图（a），其失调电压调整范围的一般计算公式为：

失调电压范围=±VD·[（R1∥R2）／R3]（±VD=±15V）

当在反相端有多个输入信号时．如图（a）中虚示线所示，其失调电压范围为：

多输入失调电压范围=±VD[（R1∥R2∥Rl'）／R3]（±VD=±l5V）

比较上述两式，显然前者的调整电压范围较宽。

后者欲加大电压调整范围．可适当改变电阻R5的大小。

图（b）所示电路具有广泛的应用价值．因为调整电压与反馈元件无关，同时，调整电压加在周相输入端，避开了赢流信号通路。

在这个电路中，R3和R5的阻值（100kΩ、100Ω）构成了1000／I的分压电路，R5两端将得到±15mV的失调电压调整范围。

当R3、R5为其他数值时．失调电压调整范围由下式决定：

失调电压调整范围=±VD·（R5／R3）（±VD=±l5V）

电阻R3和R5的阻值要求不太严格，实际上最好把R5选在1kΩ以下。

应用输入端的调零电路二：

在图（a）中，用一个小电阻R5接在R1的回路中，此时R3与R5分压产生的失调电压加到R1的左端，进而由R1和R2再次分压．因而失调电压调整范围由下式确定：

失调电压调整范围=±VD·（R5／R3）·（R2／（RlR2））（±VD=±l5V）

依据图（a）中的电阻值，其失调电压调整范围约为：

±15mV。

图中R1=R2．故该电路的电压放大倍数较低。

考虑到R5与R1串联，其电压放大倍数Av：

Av=1R2／（RlR5）

在图（b）中，加在反相输入端的失调电压调整范围由下式确定：

失调电压调整范围=±VD·（R1／R3）（±VD=±15V）

依据图中数据，其失调电压调整范围为±l5mV。

图中R3和R1组成失调电压分压器．在反相输入端直接产生失调调整电压．因而电路较简单。

在低增益放大电路中不宜采用这种调零方式，因为放大倍数越低。

R1两端的信号电压起伏越大，当输入信号改变时。

失调电压也会随之变化。

高电压放大倍数时。

输入电平较低。

失调调整电压变化量很小，一般可忽略。

高分辨率调零电路如图所示。

它可将100～200μV的失调电压微调到l～2μV。

电路中R3是阻值较高的多圈陶瓷微调电位器，该电位器与放大器内部电阻（典型值约为1～10kΩ）相并联。

电阻R。

和R：

为l％精度的金属膜电阻，可提供所需要的分辨率和范围，其阻值范围为2～10MΩ。

对于有些集成运放，不需要外接R1和R2。

为了使噪声干扰最小，电位器R3应尽量靠近集成运放，这样可使引线尽量缩短，电位器的滑动臂和R1与R2的中间点应直接与运放的正电源端（⑦脚）相连。

注意①、⑧脚为失调电压调零端。

通用调零方法：

如图所示为简单通用的调零电路。

其集成芯片可选为OPA37、LH0044B等。

由于调整网络（R1、R2和电位器R3构成）使用了正负电源土l5V，所以几乎适用于任何运放调零。

图中①、⑧脚为调零端，电阻R1和R2为大阻值电阻，对于LH0044B通常取为5MΩ左右，其上电流仅为几个微安，加在R2上的可调电压使两路电流不平衡，借以调整失调电压。

当集成运放型号不同时，R1和R2的阻值也不同，应查有关手册。

运放通用数字控制失调调整电路：

如图所示为通用数控失调调整电路，失调变化采用数字控制。

集成芯片DAC-08C作为6位D／A转换器使用，②、④脚为输出端，外接两个l00kΩ的电阻。

这两个电阻相当于负载电阻，在其上产生输出电压Vo1。

输出电压Vo1。

经两个4.7MΩ的大电阻转换成A2的失调调整电流，两个4.7MΩ的电阻是依据需要调整失调的范围而定的。

这个电路对大的电路系统很有用，因为事实上任何失调电压都可以存储在存贮器里，需要的时候再加到放大器上。

通用自动调零电路：

如图所示为通用自动调零电路。

图中A2为场效应输入型集成芯片，它与R、C等构成积分器，可将直流失调电压积分后输出。

图中的开关S是一个电子开关，能自动地实现定时周期采样，使A1输出的失调电压作为输入信号，经积分后输出，用以驱动A1的调零端，从而使失调电压调到最低状态。

电阻R1和R2的阻值都较大，不同型号的集成运放取值不尽相同，一般均选为5MΩ左右。

2、消除自激振荡的方法：

加阻容补偿网络。

具体参数和接法可查阅使用说明书。

目前，由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。

如果在放大器的输入端不加输入信号，输出端仍有一定的幅值和频率的输出信号，这种现象叫做自激振荡。

单级和两级放大电路是稳定的，而三级或三级以上的负反馈放大电路，只要有一定的反馈深度，就可能产生自激振荡，一般在低频段和高频段。

常用补偿方法有：

一、滞后补偿（电容滞后补偿、RC滞后补偿和密勒效应补偿）；二、超前补偿。

3、消除电源内阻造成的低频和高频振荡：

一般在正负电源端对地分别接一电解电容（10uF）和易高频滤波电容（0.01-0.1uF）。

高频旁路电容，通常可选用高频性能优良的陶瓷电容，其值约为0.1μF。

或采用lμF的钽电容。

这些电容的内电感值都较小。

在运放的高速应用时，旁路电容应接到集成运放的电源引脚上，引线尽量短，这样可以形成低电感接地回路。

当所使用的放大器的增益带宽乘积大于10MHz时，应采用更严格的高频旁路措施，此时应选用射频旁路电容，如0.1μF圆片陶瓷电在，同时每个印刷板或每4～5个集成芯片再增加一对钽电容。

对于通用集成芯片，对旁路的要求不高，但也不能忽视，通常最好每4～5个器件加一套旁路电容。

不论所用集成电路器件有多少，每个印刷板都要至少加一套旁路电容。

4、电源保护：

利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成的损坏。

当电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起到保护作用。

电源过压保护电路如图所示。

图（a）为简单实用的过压保护电路，它利用稳压二极管Dz将集成运放的电源电压限制在安全电压范围内，稳压管的工作电压的选择方法可依据下式：

Vz≤2Vsmax。

通常Vz应尽量接近或等于电源的总电压值，其限流电阻R应选用大功率电阻，且阻值应能保证稳压管正常工作。

图（b）具有过压保护和瞬时过压保护两种功能。

正常工作时，场效应管J1和J2的管压降很低，±VSD值不大，因而两个稳压管Dz1，和Dz2都不工作，即均未被击穿。

当电源电压过大时，稳压管被击穿，这一点不仅稳定了运放的正、负电源电压，而且流过Dz1、Dz2的反向稳压电流将流过场效应管J1和J2，由场效应管的特性可知，这将使J1和J2的管压降VDS增大，由此就限制了加到运放的电源值。

电容C1和C2是用来消除瞬时脉冲电压的，因为电容上的电压不能突变，当瞬时脉冲电压到来时，若C1和C2的容量较大，则C1和C2的电压波动将可忽略。

5、输入保护：

利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构。

无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则V1或V2中就会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。

未加内部保护措施的过压保护电路如图（a）、（b）所示，图（a）为二极管保护电路，图（b）为稳压管保护电路。

在具体应用时，选取其中之一就足够了。

图中的电阻为限流钳位电阻．其数值高达10kΩ也不会使失调电压降低。

在实际应用中．电阻的输入端可能是信号输入端，通常情况下，为提高直流精度，希望每个输入端口支路都接入相等的电阻。

在有些情况下。

只要输入电阻和反馈电阻能够实现限制钳位二极管的电流，就可省略一个或两个电阻。

内部具有保护措施的集成芯片（如741系列和场效应管输入型集成运放）的保护电路如图所示，其限流电阻也可高达10kΩ。

6、输出保护：

利用稳压管V1和V2接成反向串联电路。

若输出端出现过高电压（过载），集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。