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集成運算放大器 |
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集成運算放大器
目前廣泛應用的電壓型集成運算放大器是一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡，可實現(xiàn)不同用途的電路，例如利用集成運算放大器可非常方便的完成信號放大、信號運算（加、減、乘、除、對數(shù)、反對數(shù)、平方、開方等）、信號的處理（濾波、調(diào)制）以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運算放大器的種類非常多，可適用于不同的場合。
3.2.1 集成運算放大器的分類
按照集成運算放大器的參數(shù)來分，集成運算放大器可分為如下幾類。
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(chǎn)品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。例A741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應用最為廣泛的集成運算放大器。
2．高阻型運算放大器
這類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），IIB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)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(yōu)點，但輸入失調(diào)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。
3．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(diào)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。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。
4．高速型運算放大器
在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉(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(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、A715等，其SR=50~70V/s，BWG＞20MHz。
5．低功耗型運算放大器
由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜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50~250A。目前有的產(chǎn)品功耗已達微瓦級，例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10W，可采用單節(jié)電池供電。
6．高壓大功率型運算放大器
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，A791集成運放的輸出電流可達1A。
3.2.2 正確選擇集成運算放大器
集成運算放大器是模擬集成電路中應用最廣泛的一種器件。在由運算放大器組成的各種系統(tǒng)中，由于應用要求不一樣，對運算放大器的性能要求也不一樣。
在沒有特殊要求的場合，盡量選用通用型集成運放，這樣即可降低成本，又容易保證貨源。當一個系統(tǒng)中使用多個運放時，盡可能選用多運放集成電路，例如LM324、LF347等都是將四個運放封裝在一起的集成電路。
評價集成運放性能的優(yōu)劣，應看其綜合性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來衡量集成運放的優(yōu)良程度，其定義為：
式中，SR為轉(zhuǎn)換率，單位為V/s，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(diào)電壓，單位是mV。Iib和VOS值越小，表明運放的直流特性越好。所以，對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，選SR（轉(zhuǎn)換速率）大的運放比較合適；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(diào)電流、失調(diào)電壓及溫飄均比較�。�。
實際選擇集成運放時，除優(yōu)值系數(shù)要考慮之外，還應考慮其他因素。例如信號源的性質(zhì)，是電壓源還是電流源；負載的性質(zhì)，集成運放輸出電壓和電流的是否滿足要求；環(huán)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。
3.2.3 集成運算放大器的使用要點
1．集成運放的電源供給方式
集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE，但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式，對輸入信號的要求是不同的。
（1）對稱雙電源供電方式
運算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源（+E）與負電源（-E）分別接于運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下，可把信號源直接接到運放的輸入腳上，而輸出電壓的振幅可達正負對稱電源電壓。
（2）單電源供電方式
單電源供電是將運放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點，在運放輸入端一定要加入一直流電位，如圖3.2.1所示。此時運放的輸出是在某一直流電位基礎上隨輸入信號變化。對于圖3.2.1交流放大器，靜態(tài)時，運算放大器的輸出電壓近似為VCC/2，為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。
圖3.2.1 運算放大器單電源供電電路
2．集成運放的調(diào)零問題
由于集成運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響，當運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時，輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度，要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進行補償，這就是運算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零，而對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運放，要采用外部調(diào)零方法。下面以A741為例，圖3.2.2給出了常用調(diào)零電路。圖3.2.2(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路；圖（b）是外部調(diào)零電路。
3．集成運放的自激振蕩問題
運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，在接成深度負反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作，就需外加一定的頻率補償網(wǎng)絡，以消除自激振蕩。圖3.2.3是相位補償?shù)氖褂秒娐贰?BR>
圖3.2.2 運算放大器的常用調(diào)零電路 圖3.2.3 運算放大器的自激消除
另外，防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運放的正、負供電電源的輸入端對地一定要分別加入一電解電容（10F）和一高頻濾波電容（0.01F~0.1F）。如圖3.2.3所示。
4．集成運放的保護問題
集成運放的安全保護有三個方面：電源保護、輸入保護和輸出保護。
（1）電源保護。電源的常見故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護和電源電壓突變保護電路見圖 3.2.4（a）、(b)所示。對于性能較差的電源，在電源接通和斷開瞬間，往往出現(xiàn)電壓過沖。圖(b)中采用FET電流源和穩(wěn)壓管鉗位保護，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值大于集成運放的正常工作電壓而小于集成運放的最大允許工作電壓。FET管的電流應大于集成運放的正常工作電流。
（2）輸入保護。集成運放的輸入差模電壓過高或者輸入共模電壓過高（超出該集成運放的極限參數(shù)范圍），集成運放也會損壞。圖3.2.5 所示是典型的輸入保護電路。
圖3.2.4 集成運放電源保護電路 圖3.2.5 集成運放輸入保護電路
（3）輸出保護。當集成運放過載或輸出端短路時，若沒有保護電路，該運放就會損壞。但有些集成運放內(nèi)部設置了限流保護或短路保護，使用這些器件就不需再加輸出保護。對于內(nèi)部沒有限流或短路保護的集成運放，可以采用圖3.2.6所示的輸出保護電路。在圖3.2.6電路中，當輸出保護時，由電阻R起限流保護作用。
圖3.2.6 集成運放輸出保護電路
3.2.4 幾種常用集成運算放大器的性能參數(shù)
幾種常用集成運放的主要參數(shù)見表3-3。其管腳排列圖如圖3.2.7所示。
圖3.2.7 常用集成運算放大器管腳排列圖
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