2022年常见运算放大电路 .pdf

运算放大器分类总结名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 27 页 - - - - - - - - - 一、通用型运算放大器通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例A741（单运放）、 LM358 （双运放）、 LM324 （四运放）及以场效应管为输入级的 LF356 都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。下面就实验室里也常用的LM358 来做一下介绍 :LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。：外观管脚图它的特点如下：内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)单位增益频带宽(约1MHz)电源电压范围宽：单电源(330V) 双电源( 1.5 一 15V)低功耗电流，适合于电池供电低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 常用性能指标：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 27 页 - - - - - - - - - 性能参数基本范围输入失调电压9V输入失调电压温度系数7uA/ 输入失调电流550nA输入失调电流温度系数10uA/ 大信号电压开环增益25100V/mV共模抑制比70dB最高输出电压25Vcc=5V ，RL=2KVcc=30V ，RL=10K3.5V28V最低输出电压Vcc=5V ，RL=10K520mV输出源电流40mA大信号频率响应大信号电压开环增益电压跟随器对小信号脉冲的响应名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 27 页 - - - - - - - - - 电压跟随器对小信号脉冲的响应常用电路：（1）、正向放大器根据虚短路，虚开路，易知：（2）、高阻抗差分放大器电路左半部分可以看作两个同向放大器，分别对e1，e2放大（a+b+1)倍，右半部分为一个差分放大器放大系数为C，因此得到结果：0 (21)(1) eCeea b名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 27 页 - - - - - - - - - （3）、迟滞比较器将输入电平与参考电平作比较，根据虚短路，虚开路有：将输入电平与参考电平作比较，根据虚短路，虚开路有：二、高精度运算放大器所谓高精度运放是一类受温度影响小，即温漂小，噪声低，灵敏度高，适合微小信号放大用的运算放大器。高精度运算放大器的运用范畴很广，在产业领域中可用于量测仪器、控制系统、 HAVC （Heating ，Ventilating ，and Air Conditioning ，加热、通风、空调）、程序控制、资料撷取系统、ATE（Automatic Test Equipment ，自动测试设备）等。在医疗领域中也有超音波、气体分析、血压计、诊断器、医疗影像系统等，此外汽车中的引擎管理、传动系统管理，或实验室内的测度计等，都需要运用上高精度的运算放大器。高精度运算放大器主要面向测试与测量仪表、汽车电子系统及工业控制系统产品市场。下面就 OP17 精密JFET 输入运算放大器做一下介绍：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 27 页 - - - - - - - - - 管脚图OP17 特点低输入噪声高共模抑制比 (100dB)低输入偏流低输入失调电压和失调电流高增益带宽高电压转换速率建立时间短常用性能参数：性能参数基本范围输入失调电压0.20.5mV电流偏置15pA输入失调电流310pA输入电阻1012 大信号电压增益240V/mV输出电压摆幅13V共模抑制比100dB电压转换速率60V/us增益带宽30MHz闭环带宽11MHz建立时间 (到0.1%)0.6us输入电容3pF名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 27 页 - - - - - - - - - 输入电压噪声密度20/ nV Hz 输入电流噪声密度0.01 / pAHz 性能图表输出电压摆幅与负载关系输入失调电流与共模电压开环增益与电源电压关系共模抑制比与频率关系大信号传输响应小信号传输相应名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 27 页 - - - - - - - - - 电压转换速率与温度关系典型应用电路 :（OP17 与 OP15 基本是一样的）此图中， DAC08E 是一个 8 位数-模转换器，2 口和4 口为一对反向电流输出。由虚短路可知，运放 2 脚处的电压为 0V，由于是直流，可以将 2 C 略去，因此 0 I 全部流经 2 R 因此，有V0 R2I 0 因此这个器件是一个将电流转换为电压的器件，其中2 C 是对充放电起加速作用，由于 OP17 具有高精度的特性，它引入的噪声或漂移十分小，可以完成这种高精度的转换。三、高阻型运算放大器高阻型集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入失调电流非常小，一般 rid（1091012 ）W，IIB 为几皮安到几十皮安。 实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 27 页 - - - - - - - - - 输入级经常采用结型场效应管JFET 与BJT 相结合构成差动输入级， 称为BIFET ，或采用超管与 BJT 结合的电路，构成差动输入级。用FET 作输入级，不仅输入阻抗高，输入失调电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。这种运算放大器广泛用于无线电通信，自动控制，生物医学电信号测量的精密放大电路，有源滤波器，取样保持放大器，对数和反对数放大器，模数和数模转换器. 常见的集成器件有 LF355 、 LF347（四运放）及更高输入阻抗的 CA3130 、CA3140 等。下面以 CA3130 为例做一下介绍：CA3130 同时集成了 CMOS 场效应管与双极型晶体管。在输入级中采名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 27 页 - - - - - - - - - 用了P沟道的 MOS管，使得电路带有极高的输入电阻。管脚图CA3130 的应用电路 :接参考地的单边供电运放快速采样保持放大器高输入阻抗比较器电压跟随器峰值检波器常用性能指标：性能参数基本范围输入失调电压8mV电压温漂10uV/ 输入失调电流0.5pA输入电流5pA大信号电压开环增益100kV/V最大输出电压15V共模抑制比90dB最大输出电流22mA输入电阻1.5T 等效输入噪声电压23uV名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 27 页 - - - - - - - - - 转换速率开环闭环30V/uS10V/uS内部构造及引脚：如图所示， CA3130 的差分输入级采用了 PMOS 管（Q6，Q7），采用三极管（Q9，Q10）作为镜像负载，同时，将差分的输出结果传输到第二级放大器Q11 。Q2，Q4是输入级的恒流源， Q3，Q5为第二级放大的恒流源。输出级的 Q8，Q9工作在A类放大，由于是漏极接负载，最后的输出增益将与负载大小有关。典型应用电路：全波整流电路由于在运放输出加了二极管，则在输入正向波与反向波型时电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 27 页 - - - - - - - - - 由于在运放输出加了二极管，则在输入正向波与反向波型时电路结构略有不同：输入正向波型时，二极管截止，相当于运放不起作用，如下图：假设正负半波的输出是相同的，则有因此对于满足上述条件的电阻R1，R2，R3，电路能做全波整流：四、轨-轨型运算放大器普通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，甚至稍微高于正电源或稍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。所谓rail-to-rail ，其实就是正负电源供电。轨对轨运算放大器在低电源电压名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 27 页 - - - - - - - - - 和单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。轨对轨输入，或称满电源摆幅(R-R) 性能，可以获得零交越失真，适合驱动ADC，而不会造成差动线性衰减。实现高精密度应用。有轨对轨运放和轨对轨比较器。轨对轨运放在整个共模范围内，输入级的跨导基本保持恒定，这对低电压应用是至关重要的。因为当电源电压逐步下降时，晶体管的阈值电压并没有减小，但是运放的共模输入范围越来越小，这可能也正使设计出符合低压低功耗要求，输入动态幅度达到全摆幅的运放成为一种必需。轨对轨输入/输出功能扩大了动态范围，最大限度地提高了放大器的整体性能。下面就AD8517 做一下介绍：AD8517 特点：下面就AD8517 做一下介绍：AD8517 特点：支持单电源供电（1.8V6V ）宽带宽（ 7MHz ）轨对轨输出摆幅及输入应用范围：移动通讯工具传感器界面 ASIC 输入设备笔记本电脑使用电池的设备名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 27 页 - - - - - - - - - 使用参数：性能图表：开环增益与频率输出摆幅与频率共模抑制比与频率轨对轨输出典型电路：(1)、反向放大器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 27 页 - - - - - - - - - 由虚短，虚开易知，(2)、麦克风预放大处理此电路为一个简化了的话筒电信号预处理放大电路，左边的R1，和ELECTRET MIC 代表了话筒的电磁结构，产生了Vin的输入信号， C1用于隔去输入中的直流成分。 右边与反向放大器有些相似， 但负端接的是 VREF 。设此时Vcc 接1.8V，五、高速宽频带型运算放大器在快速A/D 和D/A转换器、视频放大器中，要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高，单位增益带宽 BWG 一定要足够大， 像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318 、 A715 等，其SR=5070V/us ，BWG 20MHz 。下面就A715 为例作介绍 :uA751 是一个高速度高增益的运放， 它适用于需要快速采集数据和较宽带宽的地方。尤其是 A/D，D/A转换器，锁相环，影像放大，有源滤波器，精确比较器，采样保持等等。uA751 的特点：高速电压转换效率快速建立时间带宽宽名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 27 页 - - - - - - - - - 供电范围宽输入电压范围宽名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 27 页 - - - - - - - - - 常用性能参数：性能参数基本范围输入失调电压25mV输入电阻1M输入失调电流250nA输入电流偏置400nA输入电压范围12V大信号电压增益30V/mV共模抑制比92 dB建立时间800ns输出电压摆幅:35mV4.965V性能图示：开环增益与频率闭环增益与频率电压增益与频率名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 27 页 - - - - - - - - - 闭环输出摆幅与频率开环相位与频率共模抑制比与频率采样速率与闭环电压增益采样速率与供电电压电压跟随器传输响应典型应用电路：（1）、滤波器可以对电路进行简化如右图。则可以看出是一个低通滤波器。因此有：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 27 页 - - - - - - - - - （2） 、影像放大器其中电路的主要部分如右图：放大器后带了一组推挽输出。两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周，即用一只三极管放大信号的正半周，用另一只三极管放大信号的负半周，两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。这种结构可以大大减少图像的失真。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 27 页 - - - - - - - - - 六、高压型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中，输出电压的最大值一般仅几十伏，输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流，集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。下面以 SG143 为例作介绍：SG143 是通用高压运算放大器，它具有工作电压达40V，高达 40V 的完善的过压保护以及输入电流和其它的超运放差不多的特点。提高的转换速率，连同较高的共模及电源抑制，为改善在较高电源电压下的性能提供了名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 27 页 - - - - - - - - - 保证。工作上的特性，尤其是电源电流，转换速率和增益，实际上都与电源电压和温度无关。此外，由于晶片上的热对称性，使增益不受高电源电压下输出负载的影响。SG143 的管脚与通用运算放大器一致，并且它具有失调调零的能力。应用领域包括通用运放的那些方面，但是当加以外部升压时，可以扩展到更高的电压和更高的输出功率。例如，当在音频功率方面应用时，SG143 可提供覆盖整个音频频谱的功率带宽。此外，SG143 能在电源上带有大的尖峰脉冲过电压的环境下(在这种环境下， 其它的内补偿运算放大器可能遭受严重损坏 )可靠地工作。SG143 的特点：宽的电源电压范围 4.0V 40V 大的输出电压幅度 37V 宽的输入共模范围 38V 有输入过压保护 40V 电源电流实际上与电源电压和温度无关低的输入偏置电流8.0nA 低的输入失调电流1.0nA 高的转换速率基本上与温度和电源电压无关2.5V/ s 高的电压增益实际上与电阻性的负载 , 温度和电源电压无关 100k( 最小) 内补偿 (可满足单位增益 ) 有输出短路保护管脚与通用运放一致常用性能参数：性能参数基本范围输入失调电压25mV输入失调电流13nA名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 27 页 - - - - - - - - - 输入偏置电流820nA输出电压幅度25V输入电压范围26V大信号电压增益180kV/V共模抑制比90dB转换速率25V/us功率带宽20kHz性能图表：输出电压与频率输出电压摆幅与电源电压开环电压增益与频率典型电路：（1）、采样保持电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 27 页 - - - - - - - - - 可以看到运放正极是一个受采样命令控制的采样开关，当处于采样周期时，高频噪声通过大电容接地，余下较低频的信号。放大器是一个带调零的电压跟随器，将采到的信号保持至下一个周期。(2)、对高压型运放的保护如大多数集成运算放大器的情形一样，应采取某些保护措施以保证SG143不被打穿。当工作在较高电源电压下，这种短路应为有限的持续时间，高的环境温度，高的电源电压以及可导致过大晶片温度的高功耗。这些情况的任何组合都能使元件遭到损坏。应当采取一些保护措施以保证电源的极性永远不会颠倒，即使是在瞬态条件下也不允许。在电压颠倒的情况下，集成电路将通过过量的电流，熔化内部的铝引线，电源间的电压反接几乎总会导致元件的损坏。在那些对很低输入电流敏感的高压应用中，应当使用专门的保护措施。以下列举了一些基本电路的高压保护措施：电压跟随器同向放大器反向放大器七、高功率型运算放大器功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。这里介绍一下高功率型运算放大器OPA549:OPA549 是一种高电压大电流功率运算放大器。它提供极好的低电平信号精度，能输出高电压，大电流，可驱动各种负载。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 27 页 - - - - - - - - - OPA549 的特点：输出电流大（连续输出达8A）工作电压范围宽输出电压摆幅大有过热关闭功能有使能及禁止功能压摆率高OPA549 应用范围：工业控制设备测试设备电源音频功率放大常用性能参数：性能参数基本范围名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 27 页 - - - - - - - - - 输入失调电压15mV输入失调电压温度系数20A/ 输入偏置电流100500nA输出电压幅度25V输入电压噪声密度70nV/Hz输入阻抗1T开环增益110dB共模抑制比95 dB增益带宽积0.9MHz转换速率9V/us功率带宽20kHz增益带宽积 &压摆率 VS 温度压摆率VS 输出电流压摆率 VS 频率典型电路：（1）、基本同向放大器根据这右图可以看出本运放的接法名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 27 页 - - - - - - - - - 的特殊之处 :首先为了避免电源干扰要在电源端接大电容。其次，输出端必须与2脚相连。并且I LIM需与脚 Ref 相连，起到限流的作用。使用过程中可以根据 E/S 的电平来判断运放内部是否因为过热而关闭。（2）、电压源电路由同向放大器的变型可以得到一个电压源电路。易知，V0=Vcl(1+R2/R1) 这里的 Vcl 是由Rcl 确定的在I 得到的恒定电压。此电压加到放大器的同向输入段经同向放大而输出。其中例如：当由于改变 Rcl 可以改变因此可以通过这一点来改变电流：0 I 当开关合上时，可以提供较大电流。（3）、扩大输出电流电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 27 页 - - - - - - - - - 主放大器接成增益为 5 的同向放大器。从放大器接成电压跟随器。由于电流只与I LIM ，Ref 相关，将它们设成相同的，可以使总输出电流扩大一倍。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 27 页 - - - - - - - - -