运算放大器实战入门(上)

典型应用
心电信号的拾取； 传感器微弱信号放大电 路 右腿驱动电路； ADC驱动； 各种传感器调理电路 恒流源、恒压源等各种 带“恒”的电路 抗混叠滤波器
阻抗变换
反馈电路中的比 较环节 模拟滤波器

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？
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。

关于单电源和双电源

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。
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。
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～32V TL082 9V～30V TLC2272 4.5V～16V


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。

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；
例如：LM358家族，OP07，uA741，MC 34072等等。

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。

LM358的输入和输出可以达到甚至超过负电源。

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。

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。

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。

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；




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：
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：

MCP6002 OPA2333 ……


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？
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；

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。

速度、精度分 按输入结构分 电源分

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。
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：

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。
解决的问题
信号放大
利用了运放的什么特性
开环增益大； 足够的乘积增益带宽 高输入阻抗，低输出阻抗； 在计算上体现为“虚短”和“虚短” 高输入阻抗； 低失调电压 高输入阻抗，低输出阻抗； 运放的带宽

TL082的SR达到13V/uS; TL2272的SR达到3V/uS； LF356的SR达到13V/uS；


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；

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。


对设计者而言，运算放大器到底能解决什 么问题？
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。
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。

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。

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：
1 0.5 0 -0.5 -1
0
20
40
60
80
100
120
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=2π×fmax×V0
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。
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：