运算放大器使用秘籍及放大器电路常见问题分析

运算放大器(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。[1] 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”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，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，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

说到运算放大器，可能普通人都很陌生，但是它所运用的领域却和人们的生活息息相关，作为电路中的重要元器件，它已经在汽车电子、通信、消费等各领域承担起了重要的作用。所谓运算放大器，是指具有很高放大倍数的电路单元。

运算放大器的应用

1、反向比例电路：

反向比例电路如下图所示，输入信号加入反相输入端，同相输入端通过电阻接地;Uo=(-Rf/R1)Ui。

2、同向比例电路：输入信号加入同相输入端，反相输入端通过电阻接地;Uo=(1+Rf/R1)Ui。

3、差动比例电路：输入信号分别加在反相输入端和同相输入端。

(1)R1+Rf R3 Rf;

(2)Uo=-------(Ui2------- - Ui1-------);

(3)R1 R2+R3 R1+Rf;

(4)如果Rf=A*R1，R3=A*R2;

(5)则上面的公式变为：Uo=A*(Ui2-Ui1);

(6)如图所示为差动放大器的失调调零电路。将失调调整电压引入差动放大电路时，应不影响差模信号的平衡。在电路中R3、R5组成高比例分压器.给R2'的右端提供可变电位。进而由R1'和R2'再次分压，在运放的同相输入端得到失调调整电压。一般R5的阻值较小，目的在于提高分压比。为了获得较高的精度，有时为减小引入的共模误差需微调R2'，借以保证下式成立。

(7)R2/R1=(R2'+ R5)/R1'.

(8)图中所示电路.其失调电压调整范围由下式决定：

失调电压调整范围=VD(R5/(R3+R5))(R1'/R1'+R2')

(9)按照上图，取VD=15V，失调电压调整范围=±7.5mV

注：原文最后结论为失调电压调整范围=±15mV。个人认为其计算有误。

运算放大器的分类

1、通用型

通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例μA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2、高阻型

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid>1GΩ~1TΩ，IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

3、低温漂型

在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。当前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

4、高速型

在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽BWG一定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器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、μA715等，其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

5、低功耗型

由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V~±18V，消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电。

6、高压大功率型

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V，μA791集成运放的输出电流可达1A。

7、可编程控制型

在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出，就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍，输入信号为1mv时，输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时，输出就只有1mv，为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生的。例如PGA103A，通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数。

运算放大器使用秘籍

1、注意输入电压是否超限

图1-1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

在直流信号放大电路中，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，导致电路自激振荡，这是我们不愿意看到的。正确的去耦电容应该要组成RC电路，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、不要在放大电路反馈回路并接电容

如图3-1所示，同样是一个用于直流信号放大的电路，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，在放大电路中，反馈回路不能加入任何影响信号相位的电路。由此延伸至稳压电源电路，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。

运算放大器应用设计技巧

一、如何实现微弱信号放大?

传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大?对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。以下给出几点建议：

1、电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。

2、推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。

3、对于传感器输出的nA级，选择输入电流pA级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。

4、若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。

二、运算放大器的偏置设置

在双电源运放在接成单电源电路时，有时在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好?用参考电压源，精度高，此外还能提供较低的交流旁路。用电阻，成本低而且方便。如果采用基准电压的话，效果最好，这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR比较低。

三、 如何解决运算放大器的零漂问题?

举个例子，压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问题?

1、首先分析有几种可能性会导致零漂：

(1)反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化;

(2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点;

(3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。

2、设计时使干扰源漂移小、使缆线电阻大，可以减少零漂。运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑!此外采用开关电容电路的技巧和采用同步检测电路结构，都可以有效零漂问题。

上述是贤集网小编为大家介绍的运算放大器的应用、分类、使用秘籍、应用设计技巧。如今，低功耗、小尺寸系列运算放大器与人们的日常生活密不可分，因为智能手机和平板电脑的普及和快速更新换代，具有超低功耗和占用面积小的特点的低功耗、小尺寸系列运算放大器，在现代通讯技术中，占据了越来越重要的作用，功能分类也日趋明细，包括低功耗、高精度运算放大器，低功耗、高性能运算放大器，低功耗、小尺寸运算放大器等等，理想用于智能手机、平板电脑和便携式医疗设备等应用。高精度、低噪声运算放大器常用于对来自传感器的温度、压力、光等信号在进入模数转换器(ADC)之前进行调理。主要评价指标包括输入失调电压和输入电压噪声这两个运放指标。高压运算放大器适用于输入信号大于10V或±5V、且要求高精度输出的应用，目前最先进的高压运算放大器能够处理高达38V (单电源)或±19V (双电源)的输入信号。而随着工业产品研发和生产的需求，未来可能还会出现其它种类的运算放大器。

放大器电路常见问题

最常遇到的一个应用问题是在交流(AC)耦合运算放大器或仪表放大器电路中没有提供偏置电流的直流(DC)回路。在图1中，一只电容器与运算放大器的同相输入端串联以实现AC耦合，这是一种隔离输入电压(VIN)的DC分量的简单方法。这在高增益应用中尤其有用，在那些应用中哪怕运算放大器输入端很小的直流电压都会限制动态范围，甚至导致输出饱和。然而，在高阻抗输入端加电容耦合，而不为同相输入端的电流提供DC通路，会出现问题。

实际上，输入偏置电流会流入耦合的电容器，并为它充电，直到超过放大器输入电路的共模电压的额定值或使输出达到极限。根据输入偏置电流的极性，电容器会充电到电源的正电压或负电压。放大器的闭环DC增益放大偏置电压。

这个过程可能会需要很长时间。例如，一只场效应管(FET)输入放大器，当1pA的偏置电流与一个0.1μF电容器耦合时，其充电速率I/C为10–12/10–7=10μV/s，或每分钟600μV。如果增益为100，那么输出漂移为每分钟0.06V。因此，一般实验室测试(使用AC耦合示波器)无法检测到这个问题，而电路在数小时之后才会出现问题。显然，完全避免这个问题非常重要。

图2示出了对这常见问题的一种简单的解决方案。这里，在运算放大器输入端和地之间接一只电阻器，为输入偏置电流提供一个对地回路。为了使输入偏置电流造成的失调电压最小，当使用双极性运算放大器时，应该使其两个输入端的偏置电流相等，所以通常应将R1的电阻值设置成等于R2和R3的并联阻值。

然而，应该注意的是，该电阻器R1总会在电路中引入一些噪声，因此要在电路输入阻抗、输入耦合电容器的尺寸和电阻器引起的Johnson噪声之间进行折衷。典型的电阻器阻值一般在100，000Ω~1MΩ之间。

类似的问题也会出现在仪表放大器电路中。图3示出了使用两只电容器进行AC耦合的仪表放大器电路，没有提供输入偏置电流的返回路径。这个问题在使用双电源(图3a)和单电源(图3b)供电的仪表放大器电路中很常见。

这类问题也会出现在变压器耦合放大器电路中，如图4所示，如果变压器次级电路中没有提供DC对地回路，该问题就会出现。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。 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”。运算放大器的应用范围很广，它不仅可以用于普通的放大，还可以完成信号的加减乘除等“运算”任务，其在滤波器的设计中也担任着重要的角色，一些速度较快、性能较高的运算放大器还可以完成比较简单的信号比较的任务。