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1、第二章 运算放大器应用,运算放大器是智能测控电子产品不可缺少的基本电路。根据实际仪器设备的功能与要求的不同，对放大器也有不同的要求，如增益的高低，失调的大小，频带的宽窄，输入阻抗的高低，供电范围的大小等等。而实际上，放大器的参数远不止这些，要选择合适的运算放大器，应该对它的主要指标有所了解。放大器的参数虽然有很多，但是放大器类型的选择取决于最关键指标。例如，如果为交流应用而选择一种高输入阻抗的放大器，那么它的失调电压及温漂指标可能就比偏置电流的重要性小的多，而它们与带宽相比则可能都不主要了；再如，如要测量一个高源内阻的微弱直流信号，则失调电压及其温漂与输入阻抗是最重要的指标。,真实世界的运算放
2、大器永远也达不到理想放大器的指标，因此对于不同的应用，人们设计出了很多种类的放大器芯片，我们可以根据实际需要来选择。本章节将以具体芯片为例对一些常用种类的运算放大器做一些简单的介绍，有的放大器具体应用比较复杂，请读者根据书中说明到产品的生产商的网站上参阅应用笔记。,1 常用运算放大器,1.1 通用双极型运算放大器 集成运算放大器开始被广泛使用的时间是20世纪70年代末，最经典的通用工业标准运算放大器是LM741，它是一款双极型放大器。它当年在国内有多种仿制产品，常见的型号有F007和5G24，在仪器仪表设计中获得了大量应用，目前在一些低档场合也经常使用这种放大器，它的典型参数指标如下：输入失调
3、电压：典型为1mV，最大5mV输入失调电压温漂：最大15V/C输入偏置电流：典型20 nA，最大200 nA输入阻抗：典型2 M，最小0.3 M共模输入电压：13V共模抑制比：90db转换速率：0.5V/s稳定时间：0.3s电源电压范围：5V22V电源电流：典型1.7mA，最大2.2mA,这款运放采用8脚封装形式，典型的PDIP封装管脚引出顶视图参见图。它引出了调零端，具体是1、5脚，使用时它们接一个10K以上的电位器，电位器中心抽头接负电源进行失调调零。实际上，目前几乎所有的8脚封装运放都与741引脚兼容。LM741最早是美国国家半导体公司的型号，现在许多厂家都生产它，如：CA741、HA1
4、741等。,LM741作为标准的工业放大器，占据了多年的应用统治地位，随着对测量水平的要求，出现了更高水平的双极型放大器，典型代表就是OP07。它使用正电源控制通过1、5脚调零。OP-07管脚封装见图，它的性能指标比741有很大幅度的提高，具体如下：,输入失调电压：典型为60V，最大150V输入失调电压温漂：最大2.5V/C输入偏置电流：典型2nA，最大9 nA输入阻抗：典型30 M，最小7M共模输入电压：14V共模抑制比：110db转换速率：0.3V/s稳定时间：0.5s电源电压范围：3V18V,目前有比OP07指标更高的OP27和OP37高指标放大器。,随着运算放大器的广泛使用，出现了在一
5、个芯片里封装有有多个放大器的产品，典型的双运放就是LM358。如图，它在一个8脚芯片里封装了两个放大器，没有引出调零端。它的特点是单电源工作，输入和输出都可以接近到地电位，同时它具有微功耗的特点。具体性能指标如下：,输入失调电压：典型为3mV，最大6mV输入失调电压温漂：最大7V/C输入偏置电流：典型50nA，最大150 nA共模输入电压：0VCC-1.5V共模抑制比：80db转换速率：0.3V/s稳定时间：0.3s电源电压范围：3V32V，可双电源供电电源电流：双运放典型1mA，最大2mA,LM358实际由三个系列产品组成，即：LM158、LM258和LM358，它们分别是军品级、工业品级和
6、民品级别的产品。主要区别在于使用的温度范围上，军品为-55125；工业品为-4085；民品为070。由于358放大器的低功耗、单电源供电和廉价的特点，使它获得了广泛的应用，尤其在民用电子产品中至今仍有大量的应用。目前是极其低廉的普通运算放大器，价格低至几毛钱一片。,还有一种常用的双极型放大器就是四运放LM324，如图，它在一个14脚芯片里封装了四个放大器，没有引出调零端。它的特点是单电源工作，输入和输出都可以接近到地电位，具体性能指标如下：,输入失调电压：典型为3mV，最大7mV输入失调电压温漂：最大7V/C输入偏置电流：典型45nA，最大150 nA输入阻抗：典型2 M，最小0.3 M共模输
7、入电压：0VCC-1.5V共模抑制比：80db转换速率：0.3V/s稳定时间：0.5s电源电压范围：3V32V，可双电源供电电源电流：四个运放典型1.4mA，最大3mA,LM324实际也由三个系列产品组成，即：LM124、LM224和LM324。由于324放大器的集中封装、单电源供电和廉价的特点，使它在民用电子产品中有大量的应用。,1.2 通用J-FET型运算放大器,双极型放大器由于使用电流发达器件做输入端，因此它的输入阻抗必然不会太大，在一些高阻信号源的应用中受到限制，例如检测压电器件的电荷量或者检测PH计的玻璃电极信号。这时，使用场效应管输入端的放大器就能够解决问题。早期典型的场效应管输入
8、端的放大器是LF356，它管脚与741完全兼容，但使用正电源调零，具体性能指标如下：,输入失调电压：典型为3mV，最大7mV输入失调电压温漂：最大5V/C输入偏置电流：典型20 pA，最大100 pA输入阻抗：1012 M共模输入电压：12V共模抑制比：100db转换速率：12V/s电源电压范围：5V22V电源电流：典型5mA，最大7mA,与741相比，它具有极高的输入阻抗，同时，从转换速度上看，它的带宽也比741宽。但由于它使用场效应管输入端，因此它的输入噪声水平要比双极型放大器高。常用的J-FET型运算放大器还有单运放CA3140、双运放LF353及四运放LF444等，它们性能类似。需要指
9、出的是，几乎所有的双运放管脚都与LM358兼容，所有的四运放都与LM324管脚兼容。如果需要提高系统指标，使用高性能的运放可以直接在线路板上进行替换。,1.3 自校准精密运算放大器,尽管象OP-27这样的精密放大器的性能已经很优秀了，但是对于一些要高内阻、小信号的放大，还是需要更高性能的运放的。ICL7650S就是一款性能更高的放大器，它采用斩波自稳零技术，使失调电压和失调电压温漂都非常小，同时使用场效应输入，输入阻抗极高。具体性能指标如下：,输入失调电压：典型为1V，最大8V输入失调电压温漂：0.02V/C输入偏置电流：典型5pA，最大20pA输入阻抗：1012 M共模输入电压：-5.2V4
10、V共模抑制比：140db转换速率：2.5V/s稳定时间：0.2s电源电压范围：2.5V16V电源电流：典型2mA，最大3mA,它比741类运放的结构复杂。为实现自动稳定零点的目的，它设计了一套斩波分时操作机构，使用两个外接的高品质电容，实现系统零点的自动平衡补偿，因此获得了比较高的性能。图中，芯片封装了14个引脚，除了电源、同相端和反相端外，还有两个存储电容引脚CEXTA、CEXTB和它们的公共端CRETN，使用时，必须连接两只高品质的0.1F电容。其它的引脚则主要是同步功能控制端，一般不使用。,1.4 轨到轨输出运算放大器,Rail to Rail 的中文含义是轨到轨输出的意思。普通的运算放
11、大器的输出是达不到电源值附近的，一般要低于电源1.5V左右，对于目前低压电池供电的系统而言，需要运算放大器具有低压单电源工作的能力，同时还要求它在有限的电源范围内具有尽可能大的输出摆幅。需求促进了半导体工艺的发展，目前已经有大量的运算放大器具有Rail to Rail 的能力。上面已经提到TLC4501的就具有Rail to Rail输出能力，常用的此种放大器有许多，典型的如：TLC2252和TLC2254，它们分别是单运放和四运放，管脚与LM358及LM324兼容。TLC2252是德州仪器公司先进的LinCMOSTM工艺制造的双路运算放大器，它具有满电源电压幅度输出特性，即Rail to R
12、ail 输出能力。同时，它具有比现有的CMOS运算放大器更好的失调电压指标及功耗指标，TLC2252的性能指标如下：,输入失调电压：典型200V，最大1500V输入失调电压温漂：最大0.5V/C输入偏置电流：典型1pA输入阻抗：1012共模输入电压：04V共模抑制比：83db转换速率：0.12V/s电源电压范围：4.4V16V，可单、双电源应用输出能力：Rail to Rail满幅输出电源电流：典型单运放通道35A,1.5 低压单电源供电微功耗放大器,对于很多电池供电的仪表，如：智能煤气表、水表，以及手持电子设备，如数字万用表等，它们都严格要求系统的低功耗特性，为达到不更换电池而能够长时间连续
13、工作的目的，要求整机电流保持在几十个A的水平上。因此，对于这些设备中使用的放大器，就要严格要求它们的供电指标，首先要能够低电压单电源供电，工作电流要非常低，最好能够作到Rail to Rail 输出。TI公司的TLV2211就是一款低压单电源供电微功耗放大器，为减少空间占用，采用了5脚表面贴装的封装形式，具体封装见图，性能指标如下：,输入失调电压：典型0.47mV，最大3mV输入失调电压温漂：最大1V/C输入偏置电流：典型1pA输入阻抗：1012共模输入电压：3V供电时，-0.3V2.2V共模抑制比：83db转换速率：0.052V/s电源电压范围：2.7V10V，可单、双电源应用输出能力：Ra
14、il to Rail满幅输出电源电流：典型单运放通道13A,TLV2211最低能够工作在2.7V电压下，如果希望系统在2V时，模拟电路还能够工作，这时可以选择TLV2341、TLV2322或者TLV2324，它们分别是单、双及4运放。,1.6 仪表放大器,由于现场存在各种干扰，尤其是共模干扰比较严重，所以普通单端运算放大器无法对信号进行准确的放大。设计者经常采用典型的三运放结构来设计高输入阻抗和高共模抑制比的差动输入放大器，这样做电路比较复杂，目前已经有许多成品的差动输入放大器，它们的内部结构就是典型的三运放结构，可以直接使用。具体的芯片型号有INA118、AD623和AD627等。它们作为精
15、度高、频带宽、共模抑制比高的新型仪表放大器很适合用来完成信号放大的任务，如图，是INA118的芯片引脚图，以下以INA118为例说明它们的芯片引脚和功能。,最大偏移电压：50V最大温漂：0.5V/图1-9 LOG102顶视图最大输入基极电流：5nA最小共模抑制比：110dB输入过压保护电压：40V电源电压：1.35V18V，可以单电源工作电源电流：350A带宽：单位增益时为800kHz增益设置范围：11000稳定时间：单位增益时为25s过载恢复时间：20s工作温度范围：4085,使用时，在1、8脚之间接入一只反馈电阻Rg来调整增益，具体Rg=50k/(G1)。REF端可以接入一个参考电位，能够
16、使输出平移，在单电源的应用中非常有用，如果输出以地为基准，则此脚接地。,1.6 可控增益放大器,AD603是一款ADI公司的压控可变增益高速放大器，使用模拟电压进行线性的对数增益控制。广泛应用于RF/IF的AGC（自动增益控制）放大器、视频增益控制、A/D转换器量程扩展及信号测量等领域。它采用8脚SOIC或者PDIP封装，封装图见图1-12，主要特点有：在90 MHz带宽下，在11 dB+31 dB 范围可控增益；在9 MHz带宽下，在1dB+31 dB 范围可控增益；在30 MHz带宽下，在1 dB+41 dB 范围可控增益。控制电压为差动方式，具体应用请读者参考ADI网站的应用笔记。,2
17、典型运算放大器应用电路,2.1 运算放大器的基本应用电路 如图，基本的运算放大器电路有反相放大、同相放大和差动放大三种形式，运放所有其它复杂应用都是由这三种方式组合而来。,图（a）是基本的反相放大器，输入输出关系：VO=-（R2/R1）*VI，特点是输出与输入反相，输入阻抗较低，具体为：R2/R1。这里的R3是输入电流平衡电阻，原则上取R3=R1/R2。如果放大器本身输入阻抗足够高，输入偏置电流极小，可以不使用R3。以后的放大器应用电路中可能不使用它，并不再说明。,一般很少简单应用反相放大方式，而是常利用它做加法运算。如图，是一个反相放大常用加法器电路，它能够对多个信号进行模拟求和运算，输入输
18、出关系：VO=-（RF/R1）*VI1+（RF/R2）*VI2，当然，输入信号可以多于两个，如果R1=R2，则是同比例求和，实际应用中可以灵活选择各输入端的输入电阻以获得具体求和效果。这个电路也经常用来做调零电路，只需要使VI1反相VI2，调整其中的一个输入信号即可实现调零输出。这里R3是平衡电阻，具体取R3=RF/R1/R2。,图（b）是基本的同相单端信号放大器，输入输出关系：VO=（1+R2/R1）*VI，特点是输入阻抗高，它经常直接作为小信号放大器。这里如果取消R1，同时短路R2，它就是一个典型的1：1跟随器。本例使用的放大器是OP-07，同时还给出了失调调零电路，W一般取10K。调零时
19、需要先短接输入信号，调整电位器W使输出为零即可。,图（c）是基本的差动信号放大器，这里：R1=R3，R2=R4，它的输入输出关系：VO=（R2/R1）*（VI1-VI2），特点是能够提供较好的共模抑制能力，但输入阻抗不高。它经常在单电源供电的场合使用，同时很容易用它设计零点迁移或者调零电路。,420mA到01V信号运算转换放大器电路,上图则是一个反相放大器组合典型应用的例子。它的作用是把一个工业标准420mA的直流输入信号转换成一个01V的直流电压输出，以供后续的A/D采样，这个电路在工业仪表输入电路中经常采用。运放采用了一片TI的TLC2252，A1设计成增益为0.25的反相放大器，为尽量减
20、小对信号源分流，降低采样误差，信号输入电阻R1可以取的比较大，这里为2M。输入采样电阻把420mA的电流信号转换为15V电压信号，有些变送器可能已经能够直接输出15V电压信号，则可以不用RS。使用R3来调整A1的放大倍数，就可以获得负的0.251.25V的直流信号。A2则是加法器，用来调零，为保证零点稳定，零点参考电压取自基准稳压芯片LM385-1.2。通过调整R5的触头位置，则可以把A1的输出负向平移，最终获得01V的直流电压输出。,这里需要强调一点，就是只有在纯粹的非智能系统中，模拟放大器电路才可能使用失调调零、系统调零及满度调整电位器。而在智能系统中，这些问题可以统一由数字校准功能来完成
21、。,2.2 高输入阻抗差动输入放大电路 在许多实际应用的电路中，考虑到剔除信号的共模干扰问题，经常要采用差动输入形式。上小节图（c）的差动信号放大器由于输入阻抗低，难以适应高阻信号源的要求，这时可以采用多运放构成的，使用运放同相输入做缓冲的放大电路。下图（a）是一种设计方案，它采用了两只高输入阻抗运算放大器设计了一个高阻差动放大器。如图，容易求得：VO=V1*（1+R2/R1）*（-R4/R3）+V2*（1+R4/R3），这里共模电压干扰Vcom已经消除。一般设：R1/R2=R4/R3，则有：VO=（1+R4/R3）*（V2-V1）。此电路设计简捷，有足够高的输入阻抗及共模抑制能力，缺点是要求
22、电阻具有0.1%以上的匹配精度，同时无法灵活调整放大倍数。,图（b）是另一种设计方案，它是典型的三运放形式。VO=（1+2*R2/R1）（V2-V1），调整R1可以方便地调整放大倍数，它具有高输入阻抗和高共模抑制比的特点。,2.3 精密整流放大电路,对于交流信号测量，实际上是要获得它的有效值，如果采用二极管整流后来检测，则会有二极管压降带来的误差，这时可以使用运算放大器来设计精密整流电路。,右图是一个精密半波整流放大电路，这里的两个整流二极管D1、D2可以看作是放大器的输出级。当VI0时，由于反相输入端是虚地，故此R1上的电流是流向运放输出端的，D2处于截止状态，只能通过D1回流，R2上将无电
23、流流过，因此此时VO=0。而当VI0的时候，R1上的电流将是从运放流出的，此时D1截止，D2导通，VO=-（R2/R1）*VI。由于运放具有近乎无穷大的开环放大倍数，因此负反馈时能够自动平衡掉整流二极管的节压降，从而获得精密整流输出。这里VI可以很小而不必考虑整流管的压降问题，如果对高频交流信号整流，则D1、D2需要使用高速二极管，典型可以选择1N4148高速开关管。,下图为无放大的全波精密整流电路。输出加了防反相钳位电路。,当VI0时，A1放大器的反馈回路中，D1导通，D2截止，因此，R2上将没有电流通过。对于放大器A2，因为R3上并无电流通过，它此时相当于一个跟随器，因此有：VO=VI。当
24、VI0时，放大器A1的反馈通道里D2导通，D1截止，R2上将有电流通过，因为R1=R2，则A1相当于一个2倍放大器，加载在R3左侧的电压将为2VI。对于放大器A2，可以轻易推导出VO=（VI-2VI）*（R4/R3）+VI=-VI。可见，VO将永远输出正值信号，完成了精密绝对值运算。,一个扯淡的全波整流电路，不可用，分析有错误！,2.4 运放扩流电路,理论上，运算放大器的输出阻抗为零，但并不意味着它具有很大的负载驱动能力。所有运算放大器的输出电流都受到放大器芯片设计的限制，一般为几个mA到50mA左右。在许多实际应用中，比如驱动扬声器，这是不够的。为了获得足够大的驱动电流，可以在运放的输出加装
25、推挽工作的跟随器电路，具体见图。它是一个同相放大电路，输出VO=（1+R2/R1）*VI。在射极跟随器的输入端，考虑到基射极之间约0.6V左右的压降，用二极管D1和D2把运放的输出电压移动了0.6V左右。电阻R3和R4是为三极管提供基极电流的，可以根据实际应用选择阻值。电阻R5和R6是防短路限流电阻，需要有足够的功率。,2.5 直流恒流源电路,在电阻测量、光功率测量以及信号传输系统中，都需要使用恒流源。精密稳定的恒流源都是使用高稳定的基准源配合运算放大器设计的。如图最简单的恒流源就是使用反相放大器的反馈回路，这个电路可以用来测量电阻。它使用基准源LM336-2.5做负相基准，在R1上有恒定电流
26、I=2.5/R1通过，则放大器输出Vo=Rx*（2.5/R1），合理选取R1，就可以获得合适的输出。例如要测量02K范围的电阻，则取R1=2.5K，可以获取02V的对应线性输出。,上图的电路虽然简单，但是它需要使用双电源，并且不宜把反馈回路引出到距离放大器太远的位置，否则可能因为引入干扰造成寄生振荡。常用的是下图中的两个电路，他们可以提供对正电源和对地的恒流。它们的恒流原理极其简单，以图（a）为例分析，因为同相端接入了固定的基准源LM385-1.2，因此运放在闭环负反馈的情况下，反相端的电位与同相端相等，因此可知电阻R2上的压降就是基准源的稳压值，则晶体管的IE=VR/R1。若忽略晶体管的基极
27、电流，则有：I=VR/R1。需要指出的是，为能够在单电源供电的系统中使用，图中的运算放大器应该尽量使用单电源放大器，如：LM358、TLC2252及TLV2211等。在图（a）中，如果把同相端加载的基准源换成外部电压输入，则这个电路就变成了一个由外部电压控制的可变恒流源。在图（b）中，由于把基准放置在了正电源方向上，为保证运放的同相端输入电平幅度在运放的输入电压范围内，使用了两个二极管产生1.4V的偏移电位，这样运放的同相端输入电压大约低于运放电源2.6V，能够满足放大器的电压输入范围指标。,在许多精密测量环节，如在光功率测量过程中，往往需要使用A级以下的恒流，例如100nA，这时前面图中的电
28、路就不能够胜任了，原因是恒流控制晶体管是双极器件，有基极电流误差，此时可以使用绝缘栅场效应管做控制管，如图，采用3SK14x。同时为了保证恒流稳定，减少运放输入端电流的误差，运放一定要使用高输入阻抗的型号，例如：TLV2211。在本例中，如果取R3=10M，调整W的中心触点位置获得1V电压，则能够得到100nA的精密恒流源。,2.6 运算放大器保护电路,一台电子设备在使用中避免不了与外界的电信号直接打交道，而外界的信号经常是随机的，幅度不一定在仪器正常测量的范围内，这时就需要考虑放大器自身保护的问题。主要考虑的就是避免使一个超过放大器电源范围的信号加载到放大器的输入或者输出引脚上，以避免器件损坏。常用的方法就是设置输入和输出钳位限流电路，通过限制电压的方法来保护放大器。具体电路参见图，方法都是采用双相二极管对电源钳位，使外界可能进入的电压在电阻上限流后被牵制在-VCC-0.7VVCC+0.7V之间。这里使用的二极管必须是高速的，以保证外界超压后能够及时钳位保护放大器，本例采用的是高速开关管1N4148。,
