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运算放大器是模拟电路中的特殊放大器,只要适当选取外部元件,就能构成各种运算电路,如放大、加法、减法、微分和积分等,并因此而得名。自20世纪60年代集成运放问世以来,运放各个系列产品层出不穷,以价格低、性能优得到广泛应用,现已持续不断地渗透到模拟和混合模拟一数字电子学的各个领域。集成运放应用范围十分广泛,本章仅介绍基本放大电路、比较器电路、简单滤波器电路的设计与调试。正弦波、三角波、矩形波等波形产生电路在第四章介绍,其他应用电路,因篇幅所限,不予介绍,请参阅有关参考文献。在介绍运放组成相应电路的同时,也介绍一些典型的专用集成电路如集成测量放大器、单片有源滤波器、单片集成比较器及其应用电路等。
集成运放组成放大电路根据输入组态的不同,分为反相输入放大器、同相输入放大器和差动输入放大器。由于运放组成放大电路应用在不同的场合,对运放的各个参数的选择有很大的区别。除通用运放外,有多种特殊运放可供选择。在设计时应根据设计任务的不同,合理选用芯片,然后设计外接元器件,使之达到设计要求。我们在分析运放电路,研究输出输入关系时将运放视为理想运放,使运放的选用和外接元器件设计计算变得简单。但在设计和应用时应注意以下五个问题。
1.集成运放外接电阻选取
(1)平衡电阻的选取 平衡电阻的选取是为了保证运放“零输入—零输出”,使之两输入端对地等效电阻相等。具体选择方法在设计中加以说明。如在图3.1.1电路中RRP=Rf//R1。
(2)外接电阻选取 一般集成运放最大输出电流Iom为3~10mA,在组成放大电路时,应使运放处于负反馈组态。反馈电阻跨接在输出端和输入端之间。输出电压一般为伏级,在空载的情况下,应使运放输出电流不超过Iom。
外接电阻亦不能取得过大,如选用MΩ级亦不合适。其原因有二:①电阻值是有误差的,阻值越大,绝对误差值越大。如2MΩ的电阻E1:系列电阻误差值为:10%,其阻值(2.2~1.8)MΩ范围均是允许的,即使选E4s系列的电阻(误差为:2%)阻值范围在(2.04~1.96)MΩ之内;且电阻值会随温度和时间的变化而产生时效误差,使阻值不稳定,影响运算精度;②运放的微小失调电流会在外接高阻值电阻上引起较大的误差信号。
所以运放外接电阻值尽可能选用几千欧至几百千欧之间。
2.正确选用集成运放的型号
集成运放种类和型号繁多,依据其性能参数的不同分为通用型和专用型两大类。专用型运放有:①高输入阻抗型;②低漂移型;③高速型;④低功耗型;⑤高压型;⑥大功率型;⑦电压比较器等。在进行电路设计时选用何种类型和型号,应根据系统对电路的要求加以确定。在通用型町满足要求时,应尽量选用通用型,因其价格低、易于购买。专用型运放是某一项性能指标较高的运放,它的其他性能指标不一定高,有时甚至可能比通用型运放还低,选用时应充分注意。此外,选用时除满足主要技术性能参数外,还应考虑性能价格比。性能指标高的运放,价格也会较高。在选用时无特殊要求,应优先选用通用型和多运放型的芯片。
仪用放大器(测量放大器)因其内部电阻经激光修正、内部电路对称性好、具有极好的动态响应和精度,选用它们可简化外接电路、提高系统可靠性、提高精度。
3.性能参数的正确使用
运放的各种性能参数都是在一定的环境条件下测定的,当外部环境或条件发生变化时,性能参数会发生变化。在设汁选用时,应注意性能参数的测试条件,尤其是对环境条件敏感的参数如输入失调电压Uio、输入失调电流Iio、温漂dUio/dT、dlio/dT等。
根据运放的特性不同,手册中给出的侧重点也有所不同。高速运放的许多参数都与频率有关。不少参数与直流供电电压有关,且有较大变化,如单位增益带宽、开环增益、输入失调电压、输入失调电流等。例如高速JFET运放AD825A,在电源电压为+15V时,单位增益带宽最小值为23MHz,典型值为26MHz;开环增益最小值为72dB,典型值为74dB;输入失调电流典型值为20pA,最大值30pA。而在+5V时,单位增益带宽最小值为18MHz,典型值为21MHz;开环增益最小值为64dB,典型值为66dB;输入失调电流典型值为15pA,最大值25pA。不少运放直流供电电源允许在一定范围内选择,而手册仅给出典型供电电源电压下的参数值,因此在选用运放时,应根据运放实际电源电压对参数留有一定裕量。
集成运放组成放大电路根据输入组态的不同,分为反相输入放大器、同相输入放大器和差动输入放大器。由于运放组成放大电路应用在不同的场合,对运放的各个参数的选择有很大的区别。除通用运放外,有多种特殊运放可供选择。在设计时应根据设计任务的不同,合理选用芯片,然后设计外接元器件,使之达到设计要求。我们在分析运放电路,研究输出输入关系时将运放视为理想运放,使运放的选用和外接元器件设计计算变得简单。但在设计和应用时应注意以下五个问题。
1.集成运放外接电阻选取
(1)平衡电阻的选取 平衡电阻的选取是为了保证运放“零输入—零输出”,使之两输入端对地等效电阻相等。具体选择方法在设计中加以说明。如在图3.1.1电路中RRP=Rf//R1。
(2)外接电阻选取 一般集成运放最大输出电流Iom为3~10mA,在组成放大电路时,应使运放处于负反馈组态。反馈电阻跨接在输出端和输入端之间。输出电压一般为伏级,在空载的情况下,应使运放输出电流不超过Iom。
外接电阻亦不能取得过大,如选用MΩ级亦不合适。其原因有二:①电阻值是有误差的,阻值越大,绝对误差值越大。如2MΩ的电阻E1:系列电阻误差值为:10%,其阻值(2.2~1.8)MΩ范围均是允许的,即使选E4s系列的电阻(误差为:2%)阻值范围在(2.04~1.96)MΩ之内;且电阻值会随温度和时间的变化而产生时效误差,使阻值不稳定,影响运算精度;②运放的微小失调电流会在外接高阻值电阻上引起较大的误差信号。
所以运放外接电阻值尽可能选用几千欧至几百千欧之间。
2.正确选用集成运放的型号
集成运放种类和型号繁多,依据其性能参数的不同分为通用型和专用型两大类。专用型运放有:①高输入阻抗型;②低漂移型;③高速型;④低功耗型;⑤高压型;⑥大功率型;⑦电压比较器等。在进行电路设计时选用何种类型和型号,应根据系统对电路的要求加以确定。在通用型町满足要求时,应尽量选用通用型,因其价格低、易于购买。专用型运放是某一项性能指标较高的运放,它的其他性能指标不一定高,有时甚至可能比通用型运放还低,选用时应充分注意。此外,选用时除满足主要技术性能参数外,还应考虑性能价格比。性能指标高的运放,价格也会较高。在选用时无特殊要求,应优先选用通用型和多运放型的芯片。
仪用放大器(测量放大器)因其内部电阻经激光修正、内部电路对称性好、具有极好的动态响应和精度,选用它们可简化外接电路、提高系统可靠性、提高精度。
3.性能参数的正确使用
运放的各种性能参数都是在一定的环境条件下测定的,当外部环境或条件发生变化时,性能参数会发生变化。在设汁选用时,应注意性能参数的测试条件,尤其是对环境条件敏感的参数如输入失调电压Uio、输入失调电流Iio、温漂dUio/dT、dlio/dT等。
根据运放的特性不同,手册中给出的侧重点也有所不同。高速运放的许多参数都与频率有关。不少参数与直流供电电压有关,且有较大变化,如单位增益带宽、开环增益、输入失调电压、输入失调电流等。例如高速JFET运放AD825A,在电源电压为+15V时,单位增益带宽最小值为23MHz,典型值为26MHz;开环增益最小值为72dB,典型值为74dB;输入失调电流典型值为20pA,最大值30pA。而在+5V时,单位增益带宽最小值为18MHz,典型值为21MHz;开环增益最小值为64dB,典型值为66dB;输入失调电流典型值为15pA,最大值25pA。不少运放直流供电电源允许在一定范围内选择,而手册仅给出典型供电电源电压下的参数值,因此在选用运放时,应根据运放实际电源电压对参数留有一定裕量。
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