Skip to main content

基本元器件 - 运算放大器

俗话说，运算放大器就是模电的终极目标。运算放大器（Operational Amplifier）是一种能够实现电信号（电压/电流/功率）放大的器件。不仅仅如此，它还可以作为缓冲器、滤波器、各种运算功能（积分、微分、乘法、对数）等。

运放拥有一对差分输入端（同相 u+u_+ 与反相 u−u_- 电压输入），一个单端输出端 uou_o，一对供电引脚 V+V_+ 和 V−V_-（大多数时候不画出）。它通过同相 u+u_+ 和反相 u−u_- 电压进行输入，在内部进行比较运算，并通过输出端 uou_o 放大输出。输出端 uou_o 输出阻抗为 0，流出的电流由正电源端子 V+V_+ 提供，流入的电流由负电源端子 V−V_- 提供。

当运算放大器工作在 线性区域 的时候，满足关系：

uo=Auo(u+−u−)u_o=A_{uo}(u_+-u_-)

其中，AuoA_{uo} 称为运算放大器的 开环电压增益（u 代表电压，o 代表 open），一般无穷大。

运放的工作状态​

集成运放的电压传输特性如下图所示：

图中分为线性区和非线性区：

  • 工作在线性放大区：斜线的斜率为开环电压增益。
  • 工作在非线性区：即饱和状态，在图中是左右两端的水平线，输出电压为 −Uom-U_{om}（负电源端子 V−V_- 的电压），或 +Uom+U_{om}（等同于正电源端子 V+V_+ 的电压）。

运放的供电​

运放的供电方式一般分 单电源 或 双电源。单电源下，V+V_+ 接正电压，V−V_- 接地。双电源一般指 V+V_+ 接正电压，V−V_- 接负电压。不同的供电方式带来了不同的频率性能和输入输出的范围。

除此之外，运放可以工作在正负电源（V+V_+/V−V_-）不对称的情况下（比如 V+V_+ 为 5V，V−V_- 为 -3V），它并不需要知道地的位置，但依然可以正常工作。

运放的轨至轨，指的是输出的电压能达到电源电压。比如，如果是一个非轨对轨的运放，假如供电为 0~5V，输出有可能只能达到 0.7~4.3V，而轨对轨输出则可以 0~5V。

运放的虚短与虚断​

虚短​

虚短是从电压的角度看的，在负反馈的条件下，正负两个输入端电压基本保持相等，近似于短路（但并不是真正短路），称为虚短。

参考负反馈的电路，可以看到，如果同相输入端电压略高于反相输入端，则负反馈电路会拉高反相输入端电压，直到与同相输入端电压相当；反之，如果同相输入端电压略低于反相输入端，则反相输入端电压也会跟随到此时同相输入端的电压。

虚断​

虚断是从电流的角度看的，运放两个输入端输入阻抗很大，流入的的电流只有微安级别，近似为无电流流入也就是断路，称为虚断。

注：运放两个输入端输入阻抗很大，是对于一般情况而言。也有特例，比如电流反馈运放。

常用运放电路​

因为运放的开环电压增益无穷大，所以需要通过特殊的电路结构来实现合适的放大效果。

电压跟随器​

电压跟随器（也称 Buffer）用于高阻抗信号源和低阻性负载之间的缓冲。

同相放大器​

同相放大器输出与输入是同相的，可将信号同相放大。

效果：通过调节 RGR_G 与 RFR_F 的阻值，使 VOUTV_{OUT} 与 VINV_{IN} 呈正比放大的关系。

原理：

  1. 因为虚短，所以 V−=VINV_- = V_{IN}
  2. 因为续断，所以 V−V_- 端输入电流可忽略不计，所以 IRG=IRFI_{R_G}=I_{R_F}，根据欧姆定律，0–V−RG=V−−VOUTRF\frac{0–V_-}{R_G}=\frac{V_- - V_{OUT}}{R_F}，得出 VOUT=VIN(RFRG+1)V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)。

反相放大器​

反相放大器输出与输入是反相的，可将信号放大并反转输出。

电压减法器 / 差动放大器​

电压减法器 / 差动放大器可放大两个电压之差，抑制共模电压。

电压加法器​

电压加法器用于多个电压求和。

低通滤波器 / 积分器​

低通滤波器 / 积分器用于对信号的低通滤波，限制信号带宽。

高通滤波器 / 微分器​

高通滤波器 / 微分器用于隔离直流信号、放大交流信号。

差分放大器​

差分放大器用于从差分或单端信号源驱动差分输入 ADC。

仪表放大器​

仪表放大器用于放大低电平差分信号，抑制共模信号。其中，VINV_{IN} 为两个输入端之间的电压差值

运放的参数​

开环电压增益​

开环电压增益 AuoA_{uo} 表示运放工作在线性放大区下的放大倍数，用 dB 表示。

失调 / 偏移电压​

失调电压 VOSV_{OS}（Input Offset Voltage）有时候也称输入偏置电压。指的是运放输入端为 0V 的条件下，理想运放输出应为零，但实际运放输出不为零，则实际输出电压除以增益得到的等效输入电压称为失调电压。失调电压实际上反映了运放内部的对称性。

失调电压的影响因素有温度（对应失调电压的温漂）、电源波动（对应电源抑制比）。失调电压是直流偏置，会叠加在输出上，如果输出为交流信号，只需考虑叠加后是否会超过供电电压导致信号失真。

我们知道，同相放大器的放大公式是 VOUT=VIN(RFRG+1)V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)，如果考虑失调电压的影响，那么输出为 VOUT=(VIN+VOS)(RFRG+1)V_{OUT}=(V_{IN}+V_{OS})(\frac{R_F}{R_G}+1)。

失调电压温漂​

失调电压温漂 TCVOST_C V_{OS} 表示输入失调电压变化量与温度变化量的比值（芯片工作温度范围内）。

失调电压温漂会导致失调电压发生变化，影响运放输出。

输入失调电流​

失调电流 IOSI_{OS} 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的差值。失调电流受制造工艺的影响。

IOS=IB++IB−I_{OS}=I_{B+}+I_{B-}

输入偏置电流​

偏置电流 IBI_B 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的均值。

IB=IB++IB−2I_B=\frac{I_{B+}+I_{B-}}{2}

偏置电流受制造工艺的影响，双极型工艺输入偏置电流在 10nA~1μA 之间；场效应管工艺输入偏置电流一般低于 1nA。

可通过在同相端增加匹配电阻，消除误差。

增益带宽积​

增益带宽积 GBWGBW（Gain–bandwidth product，GBWP/GBW/GBP/GB）指在某频率（一般为运放增益衰减 -3dB）下开环电压增益与测量频率（带宽）的乘积。

GBW=Auo∗BWGBW=A_{uo}*BW

增益带宽积受运放内结电容的频率响应特性影响。在设计中如果发现高频信号增益大小受限，则必须选用 GBPGBP 参数较大的运放。

共模抑制比​

共模抑制比 CMRRCMRR（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）指的是共模电压范围（CMVRCMVR）与此范围内的输入失调电压（ΔVOOS\Delta V_{O_{OS}}）变化的比值，结果用 dB 表示。

CMRR=20log(CMVRVOOS)CMRR=20log(\frac{CMVR}{V_{O_{OS}}})

共模抑制比受电路对称性（失调电流等参数）、线性工作范围的影响。此参数是为了表示差分放大电路抑制共模信号、放大差模信号的能力。共模抑制比高，意味着可以更加抑制共模输入的干扰信号，提高信噪比。

转换速度​

转换速度 SRSR（Slew Rate，SR）也称压摆率。表示在大信号条件下，输出电压变化的最大速率。

SR=2πfVpkSR=2 \pi f V_{pk}

其中，ff 为最大频率（一般为带宽），VpkV_{pk} 是放大输出信号的最大峰峰值。

转换速度用于评价运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数。当输入信号变化斜率的绝对值小于 SR 时，输出电压才按线性规律变化。

其他参数​

  • 共模电压范围 CMVRCMVR：也称为输入电压范围，如果两个输入端输入电压超出此范围，输出将发生削波或过大非线性现象。
  • 全功率带宽：指在单位增益下测得的最大频率，在此频率下可以得到一个正弦信号的额定输出电压，且压摆率不会导致信号失真。
  • 工作电源电压范围：运放正常工作时，能施加的电源电压范围。
  • 电源抑制比 PSRRPSRR：电源电压的变化与输入失调电压的变化之比，结果用 dB 表示。
  • 建立时间：施加一个阶跃输入后，放大器建立至某一预定的精度水平或输出电压百分比所需的时间。
  • 电源电流：放大器空载工作时电源电压需提供的电流。

根据参数选型​

根据参数挑选运放，大致有以下步骤：

  1. 判断输入信号类型：直流需注意失调电流、失调电压；差分输入需判断是否选择仪表放大器；高频交流信号需注意增益带宽积 GBWGBW 和转换速度 SRSR。
  2. 判断精度要求：需要考虑失调电压、偏置电流、失调电流、共模抑制比对精度影响，判断是否选用高阻运放或精密运放。
  3. 判断环境条件：需要注意运放的温度量程，注意温漂，注意电源纹波抑制比 PSRRPSRR 的影响。
  4. 判断其他要求：通道数、单 / 双电源供电（轨对轨信号失真小，可满幅值输出）、功率大小（高压 / 大电流情况下）。

根据用途选型​

按照用途，运放大致分为：

  • 通用运放：对各类要求均不高的器件，注重通用与性价比。
  • 音频运放：超低噪声（高保真）、低功耗（高续航）。
  • 高速运放（GBW≥50MHzGBW ≥ 50 MHz）：低功耗、低噪声 SNR。
  • 功率运放：高电压、大电流。
  • 精密运放（Vos<1mVV_{os} < 1mV）：低失调电压，或低温漂、低噪声、低功耗、宽带宽。

参考与致谢​

本篇文章受 CC BY-NC-SA 4.0 协议保护，转载请注明出处。