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運(yùn)算放大器實(shí)戰(zhàn)入門 上 云南大學(xué)信息學(xué)院 何樂生 2010 4 為什么運(yùn)算放大器如此重要 它幾乎是一切中低頻模擬電路的核心 可以說用好了運(yùn)算放大器就可以設(shè)計(jì)大部分的模擬電路 為什么運(yùn)算放大器如此重要 運(yùn)算放大器主要的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 本講座的主要內(nèi)容 對設(shè)計(jì)者而言 運(yùn)算放大器到底能解決什么問題 在運(yùn)算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個(gè)最最重要 它們怎樣影響實(shí)際設(shè)計(jì) 我們常用的運(yùn)放有哪些 各自在什么時(shí)候用 怎么對它們進(jìn)行分類 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則有什么 運(yùn)算放大器典型應(yīng)用電路分析 本講座的主要內(nèi)容 對設(shè)計(jì)者而言 運(yùn)算放大器到底能解決什么問題 在運(yùn)算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個(gè)最最重要 它們怎樣影響實(shí)際設(shè)計(jì) 我們常用的運(yùn)放有哪些 各自在什么時(shí)候用 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則有什么 運(yùn)算放大器典型應(yīng)用電路分析 運(yùn)放到底能干什么 運(yùn)放幾乎能夠解決 模擬電路基礎(chǔ) 書中又有的問題 但諸如模擬減法器 乘法器 ADC等應(yīng)用由于需要精密的阻容元件 幾乎無法在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用 好在模擬半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)將大部分上述功能做成了集成電路 無需我們在設(shè)計(jì)中用單獨(dú)的運(yùn)放來完成 因此總結(jié)起來將 作為一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言 運(yùn)放主要應(yīng)用在以下方面 運(yùn)放能為設(shè)計(jì)者解決什么問題 對于生物醫(yī)學(xué)工程 自動(dòng)控制和功率電子等低頻應(yīng)用 運(yùn)算放大器能解決的問題可以說是萬變不離其宗 信號放大 阻抗變換 在反饋控制電路中充當(dāng)比較環(huán)節(jié) 模擬濾波器 本講座的主要內(nèi)容 對設(shè)計(jì)者而言 運(yùn)算放大器到底能解決什么問題 在運(yùn)算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個(gè)最最重要 它們怎樣影響實(shí)際設(shè)計(jì) 我們常用的運(yùn)放有哪些 各自在什么時(shí)候用 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則有什么 運(yùn)算放大器典型應(yīng)用電路分析 運(yùn)算放大器的主要參數(shù) 運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊中各種參數(shù) 令人眼花繚亂 達(dá)到近百種 有些參數(shù)其實(shí)不一定很有用 本講座只重點(diǎn)介紹幾種 同時(shí)還要指出 通過舉例 指出這些參數(shù)對常見設(shè)計(jì)的影響 常見型號運(yùn)放的這些參數(shù)值是多少 偏置電流IB 理想運(yùn)放的輸入阻抗是無窮大 也就是沒有輸入電流 但實(shí)際上不可能做到 因此定義從同相端流入 反相端流出的電流較偏置電流 偏置電流對運(yùn)放的性能較大 主要體現(xiàn)在 直接影響運(yùn)放的輸入阻抗 體現(xiàn)為在影響輸出的靜態(tài)工作點(diǎn) 隨溫度漂移較大 致使系統(tǒng)不穩(wěn)定 性能隨溫度變化 怎樣對付IB 右圖是教科書上常見的一種做法 R3本來沒有任何意義 但這里用來平衡IB帶來的對工作點(diǎn)的影響 試想 沒有R3 且輸入為地 輸出也應(yīng)該在工作點(diǎn) 地 附近 但I(xiàn)B會使輸出不為地 加入R3后 同相和反相端的輸入電阻平衡了 這樣會使輸出重新等于地 但是現(xiàn)代運(yùn)放的IB較小 性能一般的LM358可以做到250nA以下 這樣在5k電阻上只產(chǎn)生1 25mV的工作點(diǎn)偏移 可以不考慮 因此現(xiàn)在通常情況下 可以不使用上述電路了 只需要考慮輸出電阻非常大的情況 例如 IB對心電放大器的主放大級的影響 偏置電流將在阻值為1M的電阻RMA1上產(chǎn)生誤差電壓 且這個(gè)電壓會被放大器的增益放大 如果仍然使用LM358則同相端將由于IB產(chǎn)生0 25V的誤差 這個(gè)誤差再被放大后將在輸出腳變成25V偏差 如果電源電壓足夠高的話 這會使整個(gè)放大器失效 CMOS和JFET運(yùn)放的IB一般較小 MCP6002 CMOS 的偏置電流可達(dá)1pA左右 TL082 JFET 的偏置電流可達(dá)50pA以下 TLC2272 JFET 的偏置電流可達(dá)1pA左右 失調(diào)電壓Vo 指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補(bǔ)償電壓 它反映了運(yùn)放本身輸入級的匹配程度 它本身并不大一般在5mV以下 精密運(yùn)放一般可以達(dá)到100uV以下 目前最高精度的運(yùn)放可以達(dá)到1uV以下 由于運(yùn)放出廠后Vo基本不會變化 所以Vo只會對增益較大的直流應(yīng)用產(chǎn)生影響 Vo對心電放大器的主放大級的影響 前級的儀用放大器輸出的信號經(jīng)過高通濾波器后進(jìn)入主放大級的同相端 如果僅考慮直流情況 同相端將等于REF1 5 這樣輸入端將疊加上Vo放大101倍的結(jié)果 從而直接影響主放大器輸出信號的直流點(diǎn) 因此心電放大器的主放大器必須是一個(gè)偏置電流足夠小 失調(diào)電壓也較小的高性能運(yùn)放 關(guān)于 偏置 和 失調(diào) 偏置 Bias失調(diào) Offset這是兩個(gè)非常容易混淆的概念 記住偏置指兩個(gè)量的平均值 共有部分 而失調(diào)是指兩個(gè)量的差 不同部分 可以容易的區(qū)分 對應(yīng)輸入電流和電壓還應(yīng)該有 失調(diào)電流 和 偏置電壓 兩個(gè)概念 但 失調(diào)電流 一般小于電流偏置 電壓偏置是由輸入信號決定的 所以這兩個(gè)參數(shù)并不常用 相關(guān)概念的比較 IB和Vo的溫漂 正如上面分析的IB和Vo主要影響運(yùn)放輸出的工作點(diǎn) 但這種影響是固定的 也就是說 當(dāng)運(yùn)放被選定后IB和Vo引起的工作點(diǎn)的偏差也就固定了 這樣的誤差是可以通過人工調(diào)整去除 還好對付 但I(xiàn)B和Vo的溫漂是指IB和Vo隨溫度變化的大小就是一個(gè)幾乎不可去除的因素了 因?yàn)樗鼈兛傇谧兓?因此對于特別精密 且工作環(huán)境溫度變換較大的電路IB和Vo也是考慮的重點(diǎn) 相關(guān)概念的比較 轉(zhuǎn)換速度 壓擺率 SR SR是運(yùn)放輸出信號上升的最快速度 SR對運(yùn)放應(yīng)用的影響主要在兩方面 對幅度較大的正弦輸入 SR較小時(shí)可能造成信號失真 產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字信號時(shí) 比如用運(yùn)放做比較器時(shí) 輸出的數(shù)字信號上升沿不夠陡峭 SR和大幅度的正弦信號 正弦信號的最大上升速度出現(xiàn)在過零點(diǎn)處 且信號幅度越大 這個(gè)地方的上升速度也就越大 根據(jù)計(jì)算可知 SR和正弦信號頻率f以及幅度V0之間有以下關(guān)系 SR 2 fmax V0 輸出做為數(shù)字信號的運(yùn)放的SR 做為跟隨器的運(yùn)放OPArA的SR的大小將直接影響輸出數(shù)字信號的大小 因此做為這種應(yīng)用的運(yùn)放要選擇SR較大的信號 常見運(yùn)放的SR LM358 LM324的SR僅有0 5V uS左右 MCP6002的SR也僅有0 5V uS左右 音頻運(yùn)放的SR較高 因?yàn)閾?jù)說有的耳朵能夠聽出SR的高低 TL082的SR達(dá)到13V uS TL2272的SR達(dá)到3V uS LF356的SR達(dá)到13V uS 輸入和輸出電壓范圍 運(yùn)放是一種 線性器件 這意味著在任何情況下 不允許輸入電壓高于或低于電源電壓 輸出也不可能高于或低于電源電壓 在滿足上述條件的情況下也并不意味著 輸入電壓可以達(dá)到或接近電源電壓 輸出電壓可以達(dá)到或者接近電源電壓 實(shí)際上在經(jīng)典的技術(shù)中輸入和輸出的最大電壓都必須距離電源1 5V左右 TL082就屬于這類經(jīng)典器件 輸入和輸出電壓都必須距離電源一定范圍 如果輸入過大還將引起 翻轉(zhuǎn) 現(xiàn)象 但隨后出現(xiàn)了一個(gè)非常著名的運(yùn)算放大器 LM358 LM324 LM321 它是美國國家半導(dǎo)體公司的標(biāo)志性產(chǎn)品 它具有一個(gè)非常優(yōu)秀的特性 LM358的輸入和輸出可以達(dá)到甚至超過負(fù)電源 關(guān)于單電源和雙電源 隨著LM358這類輸入和輸出范圍可以達(dá)到電源的運(yùn)放的引入 運(yùn)放中出現(xiàn)了一個(gè)新的概念 單電源 運(yùn)放 其實(shí)從本質(zhì)上講 運(yùn)放只需要一對分別接在電源腳上的電源 且所有的輸入和輸出都不可以超過這對電源的范圍 因此 沒有什么單電源和雙電源之分 引申的概念 例如 諸如TL082之類的運(yùn)放如果應(yīng)用到單電源的系統(tǒng)中 只要工作點(diǎn)選擇合適 完全是可以的 關(guān)于單電源和雙電源 關(guān)于單電源和雙電源 但這樣做會帶來一個(gè)問題 輸入和輸出信號的范圍會減小很多 更為嚴(yán)重的是上圖電路的信號范圍無法達(dá)到GND 這是絕大多數(shù)單電源系統(tǒng)無法忍受的 而如果使用LM358這些輸入輸出范圍可以達(dá)到負(fù)電源的運(yùn)放則沒有這個(gè)問題 于是就將這些輸入和輸出范圍可以達(dá)到負(fù)電源的運(yùn)放稱為 單電源 運(yùn)放 電源電壓范圍 這個(gè)概念通俗易懂 就是指工作時(shí)允許的電源電壓 但很重要 因?yàn)殡S著嵌入式系統(tǒng)的普及 以及利用數(shù)字CMOS圓晶的下腳料制作運(yùn)放的風(fēng)氣的興起 運(yùn)放被明顯的分為高電壓型和低電壓型 電源電壓范圍 低壓型的電源范圍一般在1 8 5 5V左右 我們常用的以MCP6002為代表 高壓型的是較早的型號 沒有固定值 典型的常用型號電源范圍 LM358等5V 32VTL0829V 30VTLC22724 5V 16V 軌到軌 Rail Rail 的引入 在3V電源的系統(tǒng)中 再使用LM358之類經(jīng)典運(yùn)放 則3V的模擬電路工作范圍將有很大一部分浪費(fèi)在輸入和輸出無法達(dá)到的 頭 和 腳 上 于是一種稱為 軌到軌 Rail Rail 的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 這種技術(shù)允許輸入或輸出允許電壓達(dá)到或者非常接近電源電壓 軌到軌 軌到軌的運(yùn)放分為 輸出軌到軌 和 輸入 輸出軌到軌 兩種 原因是輸入軌到軌會引起失調(diào)電壓的變化 從而帶來不必要的諧波失真 因此有的應(yīng)用不能選用 使用軌到軌運(yùn)放時(shí) 值得注意的是 能夠不用輸入軌到軌的時(shí)候盡量少用 軌到軌雖然意味著輸出電壓可以達(dá)到電源 但在接近電源電壓時(shí)運(yùn)放的輸出能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常值 心電放大器中的這個(gè)主運(yùn)放其實(shí)最合適使用 輸出軌到軌 的運(yùn)放 因?yàn)樗脑鲆婧艽?這樣輸入一般不可能達(dá)到電源 但輸出為了充分利用3V的電源 提高后續(xù)ADC的利用率 則需要使用軌到軌功能 也就是說更合適用OPA2335 但價(jià)錢不可同日而語 這是一個(gè)失敗的設(shè)計(jì) 本來先通過數(shù)字電位器和電位器調(diào)節(jié)OPA的同相輸入電壓 從而達(dá)到控制LM317公共端的目的 進(jìn)而控制LM317的輸出電壓 但沒有注意到OPA在接近負(fù)電源軌也就是地時(shí)輸出電流很小 無法驅(qū)動(dòng)RP1流入的電流 從而無法使運(yùn)放的輸出達(dá)到地 也就無法使LM317輸出其最低電壓 1 25V 軌到軌運(yùn)放舉例 TLC2272就屬于輸出軌到軌的運(yùn)放 OPA2355也屬于輸出軌到軌的運(yùn)放 低電源電壓運(yùn)放 1 8 5 5V 則絕大多數(shù)屬于 輸入 輸出軌到軌 的運(yùn)放 例如 MCP6002OPA2333 本講座的主要內(nèi)容 對設(shè)計(jì)者而言 運(yùn)算放大器到底能解決什么問題 在運(yùn)算放大器令人眼花繚亂的眾多參數(shù)中那幾個(gè)最最重要 它們怎樣影響實(shí)際設(shè)計(jì) 我們常用的運(yùn)放有哪些 各自在什么時(shí)候用 怎么對它們進(jìn)行分類 運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則有什么 運(yùn)算放大器典型應(yīng)用電路分析 運(yùn)放的分類 速度 精度分按輸入結(jié)構(gòu)分電源分 按速度和精度分 大公司網(wǎng)站一般按照 高速 和 高精度 的原則對運(yùn)放進(jìn)行分類 高速放大器指帶寬在20MHz以上的放大器 這類放大器除了帶寬較寬以外 失調(diào)電壓較大 偏置電流也較大 所需電源電流較大 但轉(zhuǎn)換速度也大 高速運(yùn)放又分為電流反饋型和電壓反饋性兩種 我實(shí)驗(yàn)室并不常用 高精度運(yùn)放 高精度運(yùn)放則具有 較小的失調(diào)電壓 偏置電流 較大的開環(huán)增益 所需電流也較小 本試驗(yàn)室常用 下面的幾種分類主要針對高精度運(yùn)放進(jìn)行 按輸入結(jié)構(gòu)工藝分類 按結(jié)構(gòu)或者說半導(dǎo)體工藝來分類 目前常見的運(yùn)放有以下三種 完全雙極性工藝的運(yùn)放 具有JFET輸入的運(yùn)放 MOS FET工藝的運(yùn)放 雙極性工藝 在三種基本的工藝中 雙極性工藝是最古老的半導(dǎo)體工藝 它完全由普通三極管構(gòu)成 因此其具有 優(yōu)勢 工作電壓范圍寬 失調(diào)電壓小 帶寬寬成本較低 劣勢 耗電高 偏置電流大 雙極型工藝 例如 LM358家族 OP07 uA741 MC34072等等 J FET輸入的工藝 為了增加運(yùn)放的輸出電阻 降低偏置電流 將雙極性工藝的運(yùn)放的輸入級變?yōu)榻Y(jié)型場效應(yīng)管 當(dāng)隨之而來的是J FET輸入的柵極電壓很難一致 需要激光修正 從而提高了成本 優(yōu)勢 偏置電流小 由于偏置電流小所以具有低的電流噪聲 在音頻領(lǐng)域有良好的應(yīng)用 劣勢 失調(diào)電壓大 經(jīng)過特殊工藝調(diào)整可以降低 需要較高的工作電壓 帶寬窄 成本較高 J FET工藝 例如 LF家族 TL082等 OPA627 最貴的運(yùn)放 AD8620等等 MOS FET工藝 MOS工藝的運(yùn)放近年來興起的工藝 它是在利用制造數(shù)字IC剩余的圓晶面積上制造運(yùn)放 因此多是一些數(shù)字電路廠商在生產(chǎn) 如TI Microchip等 優(yōu)勢 MOS輸入偏置電流小 功耗極低 成本極低 劣勢 失調(diào)電壓較大 經(jīng)過特殊工藝調(diào)整可以降低 只能工作在很低的電壓 帶寬窄 MOS FET工藝 這類運(yùn)放特別適合嵌入式系統(tǒng) 因?yàn)楣ぷ麟妷旱?正好適合電池系統(tǒng) MOS工藝很低的工作電流 也滿足系統(tǒng)節(jié)電的需求 低廉的成本適合量產(chǎn)產(chǎn)品控制成本 較大的失調(diào)電壓對于便攜產(chǎn)品則不太重要 TI是第三大的半導(dǎo)體商 模擬電路則是全球第一 因此TI擁有最為繁多的MOS運(yùn)放 MOS FET工藝 例如 MCP6002 TLC2272 TLV2462等等 三種工藝的比較 LM358LM324 最常見的一種運(yùn)放 成本很低 一元以下 工作電壓范圍很寬 最大特點(diǎn)是輸入和輸出范圍可以達(dá)到地甚至低于地 缺點(diǎn)是帶寬較窄 約1MHz 失調(diào)電壓和偏置電流都比較大 轉(zhuǎn)換速度也非常低 約0 2V uS 電源電壓最低可以達(dá)到單3V TL082LF356LF353 常見的J FET運(yùn)放 TL082 TI 和LF356 LF353的性能很接近 價(jià)格也較接近 輸入阻抗達(dá)到10 12 左右 轉(zhuǎn)換速度在10V uS左右 失調(diào)電壓可以達(dá)到10mV 帶寬為5 10MHz 電源電壓需要 5V以上 MCP600X Microchip公司的低成本CMOS運(yùn)放 價(jià)格在1元左右 電源電壓為1 8 5 5V 軌到軌輸入和輸出 工作電流僅100uA左右 輸入電阻達(dá)到10 13 左右 比JFET高一個(gè)數(shù)量級 失調(diào)電壓可達(dá)5mV 帶寬僅1MHz 轉(zhuǎn)換速度僅0 6V uS OP07 經(jīng)典的高精度運(yùn)放 雙極型工藝 各個(gè)公司退出OP07的兼容升級版本 如ADI公司的OP27 OP37 TI公司的OPA77等等 失調(diào)電壓在100uV以下 速度很低 帶寬僅0 4MHz 轉(zhuǎn)換速度僅0 3V uS 電源電壓 3V以上 AD8552 號稱世界上最精密的運(yùn)放 取代斬波式 失調(diào)電壓達(dá)到1uV以下 偏置電流10pA 軌到軌輸入和輸出 電源電壓2 7V 5 5V 共模抑制比140dB 電源抑制比130dB 帶寬僅1MHz 上升速度0 5V uS 謝謝