運放電路的分析和選型

如何分析運放電路？

基礎

在學習運放選型前，我們需要先來透測的學習運放電路的內部結構和原理，對于我們來說是模擬電路中十分重要的元件，它能組成放大、加法、減法、轉換等各種電路，我們可以運用運放的"虛短"和"虛斷"來分析電路，然后應用歐姆定律等電流電壓關系，即可得輸入輸出的放大關系等。

由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算的開環電壓放大倍數都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 V。

因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當于"短路"。開環電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等。

虛短

是指在分析運算放大器處于線性狀態時，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。

由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠小于輸入端外電路的電流。故通常可把運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

是指在分析運放處于線性狀態時，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實際的電路進行分析，如圖1-1所示，是常見的反相比例運算放大電路：

在反相放大電路中，信號電壓通過電阻R1加至運放的反相輸入端，輸出電壓Vo通過反饋電阻Rf反饋到運放的反相輸入端，構成電壓并聯負反饋放大電路。

運放的同相端接地=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相當于是串聯的，流過一個串聯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，暫時不用管運放的其他特性，就根據虛短和虛斷的特性來分析。當然，若運放不工作在放大區時，不滿足虛短和虛斷發條件，不能使用此種方法來分析，如比較器。

如下圖1-2，是運放實現的加法器，用虛短和虛斷的方法來分析此電路。

由于電路存在虛短，運放的凈輸入電壓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）中負號為反相輸入所致，若再接一級反相電路，可消去負號。
簡言之，虛短是運放正輸入端和負輸入端的電壓相等，近似短路；虛斷是流入正負輸入端的電流為0。只要掌握了這一點，再運用歐姆定律，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放放大電路。

運放具體該怎么選擇呢？

重點牢記

1、通用型運算放大器

通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。mA741(單運放)、LM358(雙運放)、LM324(四運放)，它們是目前應用最為廣泛的集成運算放大器。

2、精密運算放大器

精密運算放大器一般指失調電壓低于1mV的運放，對于直流輸入信號，輸入失調電壓(VOS)和它的溫漂小就行，但對于交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應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)其使用環境帶來許多特別要求時，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和(或)在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，運算放大器的選擇就會變得特別困難。精密放大電路會多一些電源去耦，濾波等特殊設計的電路。主要區別在于運算放大器上，精密運算放大器的性能比一般運放好很多，比如開環放大倍數更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調電壓或失調電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運放的性能遠不是一般運算放大器可以比得，一般運放的失調往往是幾個mV，而精密運放可以小到1uV的水平。要放大微小的信號，必須用精密運放，用了一般的運放，它自身都會帶入很大的干擾。要通過外圍電路改善，小幅或者微調可以，但無法大幅度或者徹底改變。最常用的精密運放為OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的還有很多，比如美國AD公司的產品，很多都是OPA帶頭的。

3、高阻型集成運算放大器

高阻型集成運算放大器的特點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。實現這些指標的主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點,用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級,不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優點,但輸入失調電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347(四運放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

4、低溫漂型運算放大器

在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。

5、高速型運放

高速型運放在快速A/D和D/A轉換器、視頻放大器中,要求集成運算放大器的轉換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運放是不能適合于高速應用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

6、低功耗型運放

低功耗型運放由于電子電路集成化的最大優點是能使復雜電路小型輕便,所以隨著便攜運算放大器式儀器應用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250mA。目前有的產品功耗已達微瓦級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節電池供電。

7、高壓大功率型運算放大器

高壓大功率型運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運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集成運放的電源電壓可達±150V,mA791集成運放的輸出電流可達1A。

總結

summary

相信通過上面的介紹，對不同使用條件下是否能使用同一種運放，顯然是比較清楚的，實際選擇集成運放時,還應考慮其他因素。

例如信號源的性質,是電壓源還是電流源？負載的性質？集成運放輸出電壓和電流的是否滿足要求？環境條件,集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求？

最后再贈送大家一些評價運放的小經驗，評價集成運放性能的優劣,應看其綜合性能：

SR為轉換率,單位為V/ms,其值越大,表明運放的交流特性越好;

Iib為運放的輸入偏置電流,單位是nA;

VOS為輸入失調電壓,單位是mV。

Iib和VOS值越小,表明運放的直流特性越好。

劃重點

①對于放大音頻、視頻等交流信號的電路,選SR(轉換速率)大的運放比較合適

②對于處理微弱的直流信號的電路,選用精度比較的高的運放比較合適(既失調電流、失調電壓及溫飄均比較小)