运算放大器在电路中发挥重要的作用

运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延长到汽车电子、通信、消费等各个领域，并将在支持将来技术方面扮演重要角色在运算放大器的实际应用中，设计工程师常常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB设计等方面的问题在电子工程专辑网站进行的《运算放大器应用设计》专题争论中，圣邦微电子有限公司总裁张世龙先生应邀回答与工程师进行互动我们也基于此专题争论，总结出了运算放大器应用设计的几个技巧，以飨读者

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供应的电流特别低，在这种状况下，如何完成信号放大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必需使用一些较特殊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特别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，和同步解调三部分他表示，需要留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此外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关另有工程师伴侣建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特殊留意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“Isword”建议1）电路设计时留意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国我国半导体、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）推举加金属屏蔽罩，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力量3）对于传感器输出的nA级，选择输入电流pA级的运放即可假如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，中间加入简洁的高通电路，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，工程师伴侣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？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能供应较低的沟通旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且便利，对此，张世龙没有特殊指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，假如采纳基准电压的话，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但若采纳电阻分压方式，必需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有网友指出，一般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？对此，网友“Frank”分析道，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，削减零漂，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）可能选择的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的缘由进行了具体分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必需使传感器、缆线电阻要大，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需综合考虑！而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采纳如下方法来解决:1）采纳开关电容电路的技巧，使用CDS采样方式可以有效消退offset电压；2）采纳同步检测电路结构，可以有效消退offset电压运算放大器运算放大器（常简称为“运放”），具有很大开环增益和深度负反馈的直流放大器由于转变反馈网络，输出信号是输入信号经某种数学运算的结果，故名广泛用于模拟电子电路、仪器以及模拟计算机中应用广泛、具有超高放大倍数的电路单元可以由分立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中随着半导体技术的进展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎全部的行业当中历史运算放大器最早被创造作为模拟信号的运算单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司创造的pA741在60年月后期广泛流行直到今日HA741仍旧是各高校电子工程系中讲解运放原理的典型教材原理一般可将运放简洁地视为具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采纳运放制作同相、反相及差分放大器运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零采纳单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至略微高于正电源或略微低于负电源也被允许这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器运放的输出电位通常只能在高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值之间变化经过特殊设计的运放可以允许输出电位在从负电源到正电源的整个区间变化这种运放成为轨到轨rail-to-rail输出运算放大器运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有输出电压二A0E1-E2其中，A0是运放的低频开环增益如100dB即100000倍，E1是同相端的输入信号电压，E2是反相端的输入信号电压应用运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的沟通和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器运算放大器核心是一个差动放大器就是两个三极管背靠背连着共同分担一个横流源的电流三极管一个是运放的正向输入，一个是反向输入正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放大输出这样，假如正向输入端的电压提升，那么输出自然也变大了假如反相输入端电压提升，由于反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源反向三级管电流大了，那正向的就要小，所以输出就会降低因此叫反向输入当然，电路内部还有许多其它的功能部件，但核心就是这样的运算放大器的基本工作原理抱负运算放大器的工作原理关于运算放大器的概念，前面虽然已经介绍过了，这里再略微具体的介绍一下由于运算放大器的增益极高，所以不能在两输入端之间加上输入信号，而肯定要用作反馈放大器这种运算放大器基本上可分为图2-9所示的非倒相放大电路和图2-10所示的倒相放大电路两类a非倒相放大电路首先，我们来争论非倒相放大电路设IN+端和IN—端的电压分别为T和右，并认为运算放大器的增益无限大，则为要获得有限的输出电压，则T二丁这点则是运算放大器工作中的一大特征在此前提下，分析电路工作就能变得特别简洁依据此特征，输入与输出的关系为b倒相放大电路下面我们来分析倒相放大电路T=厂，这点是与非倒相放大电路状况相同的，所以尸=0V这样，尽管有输入信号，然而A厂端处为0V恰似接地所以被叫做假想接地于是，若争论流经凡、々的电流I由于运算放大器的输入电流为0则据此，可得出输入与输出的关系可见，非倒相放大器和倒相放大电路，是从对应于输入，其输出是否倒向这一事实动身而得名的（C）差分放大电路如图2—11所示，可将两个这种放大电路组合成差分放大电路W*端的电压T由和％分压而得流经舄2和五门的电流I为由上述两式可得其中，如设=3Rfl=2则即差分放大器能够获得既和6之差成正比的输出实际的运算放大器以上所述是均是抱负的运算放大器的状况实际上，运算放大器的增益不行能无限大，有电流向r、W*端子流入（或流出），并且其电流不肯定相等即使在无信号时，T、丁之间也有肯定的电压（a）输入偏置电流（、）的影响假如运算放大器的输入级由晶体管构成要使电路能正常工作，应有偏置电流（基极电流）流过该输入偏置电流流经反馈电阻时，会产生压降，从而造成输出误差在图2—12电路中，尽管无输入，但是在输出端也会消失位移电压分一V%E=I屋…此%加为:内由于乙加乙，设=R//*/（与当并联的值），则分尔瑟=o输入偏流的影响消逝并且，实行C耦合，将电容器与串连时，若设凡=则匕沂尔=0O对于采纳场效应管构成输入级的运算放大器，由于输入偏流几乎可以忽视不计，不必产生过去的顾虑但是，由于采纳场效应管输入的运算放大器来讲，假如温度提升10摄氏度，则输入偏流将增高两倍，因此，这种运算放大器必需避开在高温状况下使用（b）输入位移电流（/⑷）的影响在前项中，设小广端、〃广端的输入偏流/；、右相等，但实际上二者之间多少有些不同，右与右之差被叫做输入位移电流当设定常数，而使输入偏流不致产生影响时，因输入位移电流/Q所造成的输出位移电压%即尔为:%.%它与与凡无关，于是对于通过双极型输入运算放大器来讲，0的上限值为100KQ盼望当值更大时，应使用场效应管输入运算放大器（c）输入位移电压（%）的影响在造成输出误差的缘由中，有输入偏流，输入位移电流，还有输入位移电压如图2-13所示，虽然没有信号，然而工作时犹如在输入端加上了々的电压因此，在输出端消失了增益倍数的展电压这与输入偏流和输入位移电流不同，不能通过电阻值得设定来减小其影响因此，对单运算放大器来讲，一般具有片位移电压调整端子，如图2—14所示，接入可变电阻，可以将位移调整为03参数的设定现在来分析图2-15所示的非倒相放大电路以此电路制作增益1020dB的放大电路时，增益4为因此，4与、勺的肯定值无关，可有其比值打算当反馈电阻过小时现设々=90计算出4=ioo那么在实际使用运算放大器，采纳上述电阻值时，看看是否能获得增益为10的放大电路回答是否定的其缘由在于，对于运算放大器来讲，凡+0是负载，若周沏消失振幅，则与此对应的电流将流经号、号一般的运算放大器的输出电流不超过20mA若按此计算，分年仅会消失在振幅为200mV左右的信号图2—16并且，由于开环增益大大下降，不仅得不到必要的增益这里为10而且失真率也大大增加了反馈电阻过大时那么设a=1Q、%=9MG状况又将如何呢？这样一来，前述状况不存在了此时，无论增益，还是振幅均可获得需要的数值然而，现在又会消失其他的问题流经瓜厂端子的输入偏流的影响不能完全忽视不计，匕跖消失输出位移，最坏的状况下输出将消失饱和现象寄生电容的影响也不能忽视，当信号频率增高时，增益将失常，电阻引起的热噪声的影响增加，输出噪声会增加反馈电阻适当的范如上所述，凡、々的值存在着一个适当的区域，这个区域通常为几百欧至几千欧通常，选取尺+为几千欧至几十千欧（图2—15）这一电阻范围不仅使用于非倒相放大电路，而且对于倒相放大电路或差分放大电路也是适用的但是，在这种状况下，从输出端到小广端之间的反馈电阻值（图2-10的々、图2—11的应在几千欧以上。