電子干貨|運(yùn)放電路詳細(xì)分析及運(yùn)放選型-KIA MOS管

運(yùn)放電路分析

先來了解一下運(yùn)放電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)于我們來說運(yùn)算放大器是模擬電路中十分重要的元件，它能組成放大、加法、減法、轉(zhuǎn)換等各種電路，我們可以運(yùn)用運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”來分析電路，然后應(yīng)用歐姆定律等電流電壓關(guān)系，即可得輸入輸出的放大關(guān)系等。

由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80 dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 V。

因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于“短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等。

“虛短”是指在分析運(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。

由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。

故通常可把運(yùn)放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。“虛斷”是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。

下面本文用虛斷和虛斷方法來對(duì)實(shí)際的電路進(jìn)行分析，如圖1-1所示，是常見的反相比例運(yùn)算放大電路：

圖1-1.方向比例運(yùn)算放大電路

在反相放大電路中，信號(hào)電壓通過電阻R1加至運(yùn)放的反相輸入端，輸出電壓Vo通過反饋電阻Rf反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路。

運(yùn)放的同相端接地=0V，反相端和同相端虛短，所以也是0V，反相輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那么R1和Rf相當(dāng)于是串聯(lián)的，流過一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過Rf的電流是相同的。

根據(jù)歐姆定律：

Is= (Vs- V-)/R1................（1）

If= (V- - Vo)/Rf...............（2）

V- = V = 0 ....................（3）

Is= If ........................（4）

求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi

在分析電路的過程中，暫時(shí)不用管運(yùn)放的其他特性，就根據(jù)虛短和虛斷的特性來分析。當(dāng)然，若運(yùn)放不工作在放大區(qū)時(shí)，不滿足虛短和虛斷發(fā)條件，不能使用此種方法來分析，如比較器。

如下圖1-2，是運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的加法器，用虛短和虛斷的方法來分析此電路。

圖1-2.運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的加法器

由于電路存在虛短，運(yùn)放的凈輸入電壓vI=0，反相端為虛地。

vI=0，vN=0.......................（5）

反相端輸入電流iI=0的概念，通過R2與R1的電流之和等于通過Rf的電流故

(Vs1 – V-)/R1 (Vs2 – V-)/R2

= (V- –Vo)/Rf.......（6）

如果取R1=R2=R3，由a，b兩式解得

-Vout=Vs1 Vs.......................（7）

式（7）中負(fù)號(hào)為反相輸入所致，若再接 反相電路，可消去負(fù)號(hào)。

簡言之，虛短是運(yùn)放正輸入端和負(fù)輸入端的電壓相等，近似短路；虛斷是流入正負(fù)輸入端的電流為0。只要掌握了這一點(diǎn)，再運(yùn)用歐姆定律，即可很容易的分析同相比例放大電路，反向比例放大電路等常用的運(yùn)放放大電路。

運(yùn)放選型

下面分類介紹什么情況下選擇什么樣的運(yùn)放。

1.通用型運(yùn)算放大器

通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放），它們是目前應(yīng)用 為廣泛的集成運(yùn)算放大器。

2.精密運(yùn)算放大器

精密運(yùn)算放大器一般指失調(diào)電壓低于1mV的運(yùn)放，對(duì)于直流輸入信號(hào)，輸入失調(diào)電壓（VOS）和它的溫漂小就行，但對(duì)于交流輸入信號(hào)，我們還必須考慮運(yùn)放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應(yīng)用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。

在傳感器類型和（或）其使用環(huán)境帶來許多特別要求時(shí)，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩(wěn)定性和對(duì)數(shù)以千計(jì)讀數(shù)和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現(xiàn)性，運(yùn)算放大器的選擇就會(huì)變得特別困難。

精密放大電路會(huì)多一些電源去耦，濾波等特殊設(shè)計(jì)的電路。主要區(qū)別在于運(yùn)算放大器上，精密運(yùn)算放大器的性能比一般運(yùn)放好很多，比如開環(huán)放大倍數(shù)更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調(diào)電壓或失調(diào)電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。

好的精密運(yùn)放的性能遠(yuǎn)不是一般運(yùn)算放大器可以比得，一般運(yùn)放的失調(diào)往往是幾個(gè)mV，而精密運(yùn)放可以小到1uV的水平。要放大微小的信號(hào)，必須用精密運(yùn)放，用了一般的運(yùn)放，它自身都會(huì)帶入很大的干擾。

要通過外圍電路改善，小幅或者微調(diào)可以，但無法大幅度或者徹底改變。 常用的精密運(yùn)放就是OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的還有很多，比如美國AD公司的產(chǎn)品，很多都是OPA帶頭的。

3.高阻型集成運(yùn)算放大器

高阻型集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>（109~1012）W，IIB為幾皮安到幾十皮安。

實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。

常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

4.低溫漂型運(yùn)算放大器

在精密儀器、弱信號(hào)檢測等自動(dòng)控制儀表中，總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。

常用的高 、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。

5.高速型運(yùn)放

高速型運(yùn)放在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。

高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、mA715等，其SR=50~70V/us，BWG>20MHz。

6.低功耗型運(yùn)放

低功耗型運(yùn)放由于電子電路集成化的 大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜運(yùn)算放大器式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。

常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±2V~±18V，消耗電流為50~250mA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí)，例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供電。

7.高壓大功率型運(yùn)算放大器

高壓大功率型運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中，輸出電壓的 大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。

高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V，mA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。

相信通過上面的介紹，對(duì)不同使用條件下是否能使用同一種運(yùn)放，顯然是比較清楚的，實(shí)際選擇集成運(yùn)放時(shí)，還應(yīng)考慮其他因素。

例如信號(hào)源的性質(zhì)，是電壓源還是電流源；負(fù)載的性質(zhì)，集成運(yùn)放輸出電壓和電流的是否滿足要求；環(huán)境條件，集成運(yùn)放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。

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