运算放大器核心是一个差动放大器。 就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的 正向输入，一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放 大输出。 这样，如果正向输入端的电压升高，那么输出自然也变大了。如果反相输入端电 压升高，因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源。反向三级管电流 大了，那正向的就要小，所以输出就会降低。因此叫反向输入。 当然，电路内部还有很多其它的功能部件，但核心就是这样的。 数字电路即为 TTL 或 C-MOS 逻辑电路， 而谈到模拟电路， 首先就应想到运算放大器。 但是， 这里讲的运算放大器是怎样一个器件呢? 简而言之，运算放大器是具有两个输入端，一个输出端，以极大的放大率将两输入端 之间的电压放大之后，传递到输出端的一种放大器。 如果以电路符号来表示运算放大器，则如 右图，可表示为三角形。它的两个输入部分分 别叫做非倒相输入(1N＋)和倒相输入(IN－)。 它以极大的放大率将倒相输入端与非倒相输 人端之间的电压放大，然后从输出端(OUT)输 出。模拟 /zh2002202 发表于 2007-04-09, 14:091．“虚断”和“虚短”概念 如果为了简化包含有运算放大器的电子电路，总是假设运算放大器是理想的，这 样就有“虚短”和“虚断”概念。 “虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一 起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。 “虚断”是指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想 运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开 路，称为“虚断”。 2．集成运算放大器线性应用电路 集成运算放大器实际上是高增益直耦多级放大电路，它实现线性应用的必要条件 是引入深度负反馈。此时，运放本身工作在线性区，两输入端的电压与输出电压成线 性关系，各种基本运算电路就是由集成运放加上不同的输入回路和反馈回路构成。 在分析由运放构成的各种基本运算电路时，一定要抓住不同的输入方式（同相或 反相）和负反馈这两个基本点。3．有源滤波电路有源滤波电路仍属于运放的线性应用电路。滤波功能由 RC 网络完成，运放构成 比例运算电路用以提供增益和提高带负载能力。与无源滤波电路相比有以下优点： 负载不是直接和 RC 网络相连，而是通过高输入阻抗和低输出阻抗的运放来连接，从 而使滤波性能不受负载的影响； 电路不仅具有滤波功能，而且能起放大作用。 正确理解：共模抑制 熟练掌握：差分放大电路工作原理，输入输出方式，差模增益，差模输入和输出电阻， 理想运放、实际运放的主要参数 难点重点 1．学好差分放大电路，应把重点放在如何正确画出半电路的直流通路、差模等效电 路和共模等效电路上，即要正确决定电路中各个电阻（特别是共用电阻）在不同工作 状态的值。 2．为了熟练掌握差分放大电路的输入输出方式，应掌握如下规律： （1）从输出端来说，双端输出是充分利用了两管的放大能力，而单端输出只利用了 单边的放大能力。差分放大电路实质上是利用电路的复杂性来换取抑制零点漂移的效 果。 （2）从输入端来说，因为单端输入可以等效为双端差模输入和共模输入的叠加，所 以单端输入的效果与双端输入几乎一样。 （3）在进行差分放大电路静态工作点的估算时，要特别注意在单端输出的情况下， 虽然两管的 BQ、EQ、CQ 取决于射极回路，因而是两垂直对称的，但两管的集电极 电流却是不对称的。 3．差分式放大电路的特点 （1）在电路组成上引入共模负反馈，电路具有对称性。分为长尾电路和带恒流源的 电路。 （2）在电路性能上有较强的抑制共模信号（抑制零点飘移）能力和放大差模信号的 能力。 注意比较负反馈放大电路和波形产生电路中自激条件的异同。对每一类波形产生电 路，都要从产生振荡的条件出发，分析其电路组成和工作原理。 一、正弦波振荡的条件 1.振荡平衡条件：AF=1 幅度平衡条件：|AF|=1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） 2.起振条件：AF>1 幅度起振条件：|AF|>1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） 观看动画 二、正弦波产生电路其组成包括放大、反馈、选频、稳幅等基本部分。以保证产生单一频率和幅值稳 定的正弦波。根据选频网络的不同，要求掌握 RC 桥式正弦波振荡电路的电路结构、 工作原理和振荡频率计算；三点式振荡电路的电路结构和振荡频率计算。 三、电压比较器 集成运放一般为开环或正反馈应用，处于非线性工作状态，输入与输出间不是线 性关系。其输入量是模拟量，输出量一般是高电平和低电平两种稳定状态的电压。可 用于把各种周期性信号转换成矩形波。要求掌握各种电压比较器的电路结构、传输特 性及阈值电压的计算。运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。 常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、 视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、 计算机工作站和无线基站。 理想的运放 理想的运放如图 1 所示。通过电阻元件(或者更普遍地通过阻抗元件)施加的负反馈可以产生两种经典的 闭环运放配置中的任何一种：反相放大器(图 2)和非反相放大器(图 3)。这些配置中的闭环增益的经典等 式显示，放大器的增益基本上只取决于反馈元件。另外，负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。 电压反馈(VFB) 电压反馈(VFB)运放 电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样，它们的输出电压是两个输入端之间电压差的函数。为设计用 途，电压反馈运放的数据表定义 5 种不同的增益：开环增益(AVOL)、闭环增益、信号增益、噪声增益和环 路增益。 负反馈可以改变 AVOL 的大小。对高精度放大器来说，无反馈运放的 AVOL 值非常大，约为 160dB 或更高(电 压增益为 10,000 或更高)。图 1：理想的运放AVOL 的范围很大，在数据表中它通常以最小/最大值给出。AVOL 还随着电压电平、负载和温度的变化而变化， 但这些影响都很小，通常可以忽略不计。 当运放的反馈环路闭合时，它可以提供小于 AVOL 的闭环增益。闭环增益有信号增益和噪声增益两种形式。 信号增益(A)指输入信号通过放大器产生的增益，它是电路设计中头等重要的增益。下面给出了电压反馈 电路中信号增益的两个最常见的表达式，它们被广泛用在于反相和同相运放配置中。图 2：反相放大器(a)和非反相放大器(b)是两种经典的闭环运放配置对于反相放大器，A = -Rfb/Rin 对于同相放大器，A = 1 + Rfb/Rin 其中，Rfb 是反馈电阻，Rin 是输入电阻。 噪声增益指运放中的噪声源增益，它反映了放大器的输入失调电压和电压噪声对输出的影响。噪声增益 的等式与上述同相放大器的信号增益等式相同。噪声增益非常重要，因为它被用来确定电路稳定性。另 外，噪声增益还是在波特图中使用的闭环增益，波特图可以向电路设计工程师提供放大器的最大带宽和 稳定性信息。环路增益等于开环增益与闭环增益之差，或者等于输入信号通过放大器并由反馈网络返回 至输入端的总增益。图 3：(a)波特图上的开环增益和噪声增益曲线；(b)电流反馈运放的频率响应电压反馈运放的增益带宽积 理想运放的增益和带宽都是无限大的。最常见的真实运放采用电压反馈，这种运放的增益和频率在被称 为“增益带宽积(GBW)”的特性中是有关系的。 电压反馈运放中的这种关系允许电路设计工程师通过控制 反馈电阻(或者阻抗)，在带宽和增益之间进行折衷。 对数响应曲线(波特图)给出 了电压反馈运放的增益随频率的变化关系，并有助于解释 GBW。从直流到由 反馈环路的主极点决定的频率之间，增益是恒定不变的。在该频率之上，增益以 6dB/8 倍程或 20dB/10倍程的速率衰减。这称为单极或者一阶响应。6dB/8 倍程的衰减速率意味着如果频率升高一倍，增益就 会减半。电压反馈运放的这种特性使电路设计工程师可在带宽和增益之间进行折衷。 在一个波特图中画出运放的开环增益和噪声增益曲线，两者的交叉点决定了最大带宽或放大器的闭环频 率(fCL)(图 4)。这两条曲线的交叉点在波特图增益轴(纵轴)上处于比最大增益小 3dB 的位置上。事实上， 噪声增益渐近地逼近开环增益。渐近响应和真实响应在 fCL 上下各一个倍程上之差将为 1dB。图 4：(a)运放的输入失调电压；(b)运放的输入偏置电流运放的供电 第一款单片运放正常工作所需的电源电压范围为±15V。 如今， 由于电路速度的提高和采用低功率电源(如 电池)供电，运放的电源正在向低电压方向发展。 尽管运放的电压规格通常被指定为对称的两极电压(如±15 V)，但是这些电压却不一定要求是对称电压 或两极电压。对运放而言，只要输入端被偏置在有源区域内(即在共模电压范围内)，那么±15V 的电源 就相当于+30V/0V 电源，或者+20V/–10V 电源。运放没有接地引脚，除非在单电源供电应用中把负电压 轨接地。运放电路的任何器件都不需要接地。高速电路的输入电压摆幅小于低速器件。器件的速度越高，其几何形状就越小，这意味着击穿电压就越 低。由于击穿电压较低，器件就必须工作在较低电源电压下。 如今，运放的击穿电压一般为±7V 左右，因此高速运放的电源电压一般为±5V，它们也能工作在+5V 的 单电源电压下。 对通用运放来说，电源电压可以低至+1.8V。这类运放由单电源供电，但这不一定意味必须采用低电源电 压。单电源电压和低电压这两个术语是两个相关而独立的概念。 运放的工艺技术 运放主要采用双极性工艺技术，但在要求在同一芯片中集成模拟和数字电路的应用中，采用 CMOS 工艺的 运放工作得很好。JFET 有时在输入级采用，以增加输入阻抗，从而降低输入偏置电流。FET 输入运放(无 论是 N 沟道还是 P 沟通)允许芯片设计工程师设计出输入信号电平可扩展至负电压轨和正电压轨的运放。 由于 BJT 是电流控制型器件，所以输入级中的双极晶体管总是汲取一些偏置电流(IB)(图 7)。但是，IB 会流经运放外部的阻抗，产生失调电压，从而导致系统错误。制造商通过在输入级采用 super-beta 晶体 管或通过构建一个补偿偏置输入架构，来解决这个问题。super-beta 晶体管具有极窄的基极区，该基极 区所产生的电流增益要比标准 BJT 中的电流增益大得多。这使得 IB 非常低，但这是以频率响应性能降低 为代价的。在偏置补偿输入中，小电流源被加在输入晶体管的基极，这样，电流源可提供输入器件所需 的偏置电流，从而大幅减小外部电路的净电流。 与 BJT 相比，CMOS 运放的输入阻抗要高得多，从而使该电流源输出的偏置电流和失调也小得多。另一方 面，与 BJT 相比，CMOS 运放具有更高的固有失调电压和更高的噪声电压，特别是在频率较低的情况下。 按应用对运放进行分类 芯片制造商利用不同的电路设计和工艺技术来强调针对特定应用的某些运放特性。上表列出了这些运放 类型的常用术语，以及它们的特性和应用范围。运算放大器应用设计的几个技巧运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领 域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际应用中，设计工程师经 常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB 设计等方面的问题。 如何实现微弱信号放大？ 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型 的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？对于微弱信号的 放大， 只用单个放大器难以达到好的效果， 必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段， 而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大 器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的 SPDT 模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低 噪声运算和低噪声电阻。建议如下： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、 BB(已被 TI 收购)、ADI 等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大 改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的 nA 级， 选择输入电流 pA 级的运放即可。 如果对速度没有多大的要求， 运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M 欧级好一些。否则对电阻要求比较高。 后级再进行 2 级放大，中间加入简单的高通电路，抑制 50Hz 干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选 择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考 电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成 本低而且方便，双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种 基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的 PSRR。 但若采用电阻分压方式， 必须考虑电 源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR 比较低。 如何解决运算放大器的零漂问题？ 三、 如何解决运算放大器的零漂问题？ 有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是 在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问 题？ 对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂： 1)反馈电容 ESR 特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放 大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器 的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认 为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、 运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电 阻太LFC2 高增益运算放大器 LFC3 中增益运算放大器 LFC4 低功耗运算放大器 LFC54 低功耗运算放大器 LFC75 低功耗运算放大器 F003 通用Ⅱ型运算放大器 F004(5G23) 中增益运算放大器 F005 中增益运算放大器 F006 通用Ⅱ型运算放大器 F007(5G24) 通用Ⅲ型运算放大器 F010 低功耗运算放大器 F011 低功耗运算放大器 F1550 射频放大器 F1490 宽频带放大器 F1590 宽频带放大器 F157/A 通用型运算放大器 F253 低功耗运算放大器 F741(F007) 通用Ⅲ型运算放大器 F741A 通用型运算放大器 F747 双运算放大器 OP-07 超低失调运算放大器 OP111A 低噪声运算放大器 F4741 通用型四运算放大器 F101A/201A 通用型运算放大器 F301A 通用型运算放大器 F108 通用型运算放大器 F308 通用型运算放大器 F110/210 电压跟随器 F310 电压跟随器 F118/218 高速运算放大器 F441 低功耗 JEET 输入运算放大器 F318 高速运算放大器 F124/224 四运算放大器 F324 四运算放大器 F148 通用型四运算放大器 F248/348 通用型四运算放大器 F158/258 单电源双运算放大器 F358 单电源双运算放大器 F1558 通用型双运算放大器 F4558 双运算放大器 LF791 单块集成功率运算放大器 LF4136 高性能四运算放大器 FD37/FD38 运算放大器 FD46 高速运送放大器LF082 高输入阻抗运送放大器 LFOP37 超低噪声精密放大器 LF3140 高输入阻抗双运送放大器 LF7650 斩波自稳零运送放大器 LZ1606 积分放大器 LZ19001 挠性石英表伺服电路变换放大器 LBMZ1901 热电偶温度变换器 LM741 运算放大器 LM747 双运算放大器 OP-07 超低失调运算放大器 LM101/201 通用型运算放大器 LM301 通用型运算放大器 LM108/208 通用型运算放大器 LM308 通用型运算放大器 LM110 电压跟随器 LM310 电压跟随器 LM118/218 高速运算放大器 LM318 高速运算放大器 LM124/224 四运算放大器 LM324 四运算放大器 LM148 四 741 运算放大器 LM248/348 四 741 运算放大器 LM158/258 单电源双运算放大器 LM358 单电源双运算放大器 LM1558 双运算放大器 OP-27CP 低噪声运算放大器 TL062 低功耗 JEET 运算放大器 TL072 低噪声 JEET 输入型运算放大器 TL081 通用 JEET 输入型运算放大器 TL082 四高阻运算放大器(JEET) TL084 四高阻运算放大器(JEET) MC1458 双运放(内补偿) LF147/347 JEET 输入型运算放大器 LF156/256/356 JEET 输入型运算放大器 LF107/307 运算放大器 LF351 宽带运算放大器 LF353 双高阻运算放大器 LF155/355 JEET 输入型运算放大器 LF157/357 JEET 输入型运算放大器 LM359 双运放(GB=400MC) LM381 双前置放大器 CA3080 跨导运算放大器 CA3100 宽频带运算放大器 CA3130 BiMOS 运算放大器CA3140 BiMOS 运算放大器 CA3240 BiMOS 双运算放大器 CA3193 BiMOS 精密运算放大器 CA3401 单电源运算放大器 MC3303 单电源四运算放大器 MC3403 低功耗四运放 LF411 低失调低漂移 JEET 输入运放 LF444 四高阻抗运算放大器 µpc4558 低噪声宽频带运放 MC4741 四通用运放 LM709 通用运放 LM725 低漂移高精度运放 LM733 宽带放大器 LM748 双运放 ICL7650 斩波稳零运放 ICL7660 CMOS 电压放大(变换)器
运算放大器核心是一个差动放大器。 就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的 正向输入，一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放 大输出。 这样，如果正向输入端的电压升高，那么输出自然也变大了。如果反相输入端电 压升高，因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源。反向三级管电流 大了，那正向的就要小，所以输出就会降低。因此叫反向输入。 当然，电路内部还有很多其它的功能部件，但核心就是这样的。 数字电路即为 TTL 或 C-MOS 逻辑电路， 而谈到模拟电路， 首先就应想到运算放大器。 但是， 这里讲的运算放大器是怎样一个器件呢? 简而言之，运算放大器是具有两个输入端，一个输出端，以极大的放大率将两输入端 之间的电压放大之后，传递到输出端的一种放大器。 如果以电路符号来表示运算放大器，则如 右图，可表示为三角形。它的两个输入部分分 别叫做非倒相输入(1N＋)和倒相输入(IN－)。 它以极大的放大率将倒相输入端与非倒相输 人端之间的电压放大，然后从输出端(OUT)输 出。模拟 /zh2002202 发表于 2007-04-09, 14:091．“虚断”和“虚短”概念 如果为了简化包含有运算放大器的电子电路，总是假设运算放大器是理想的，这 样就有“虚短”和“虚断”概念。 “虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一 起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。 “虚断”是指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想 运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开 路，称为“虚断”。 2．集成运算放大器线性应用电路 集成运算放大器实际上是高增益直耦多级放大电路，它实现线性应用的必要条件 是引入深度负反馈。此时，运放本身工作在线性区，两输入端的电压与输出电压成线 性关系，各种基本运算电路就是由集成运放加上不同的输入回路和反馈回路构成。 在分析由运放构成的各种基本运算电路时，一定要抓住不同的输入方式（同相或 反相）和负反馈这两个基本点。3．有源滤波电路有源滤波电路仍属于运放的线性应用电路。滤波功能由 RC 网络完成，运放构成 比例运算电路用以提供增益和提高带负载能力。与无源滤波电路相比有以下优点： 负载不是直接和 RC 网络相连，而是通过高输入阻抗和低输出阻抗的运放来连接，从 而使滤波性能不受负载的影响； 电路不仅具有滤波功能，而且能起放大作用。 正确理解：共模抑制 熟练掌握：差分放大电路工作原理，输入输出方式，差模增益，差模输入和输出电阻， 理想运放、实际运放的主要参数 难点重点 1．学好差分放大电路，应把重点放在如何正确画出半电路的直流通路、差模等效电 路和共模等效电路上，即要正确决定电路中各个电阻（特别是共用电阻）在不同工作 状态的值。 2．为了熟练掌握差分放大电路的输入输出方式，应掌握如下规律： （1）从输出端来说，双端输出是充分利用了两管的放大能力，而单端输出只利用了 单边的放大能力。差分放大电路实质上是利用电路的复杂性来换取抑制零点漂移的效 果。 （2）从输入端来说，因为单端输入可以等效为双端差模输入和共模输入的叠加，所 以单端输入的效果与双端输入几乎一样。 （3）在进行差分放大电路静态工作点的估算时，要特别注意在单端输出的情况下， 虽然两管的 BQ、EQ、CQ 取决于射极回路，因而是两垂直对称的，但两管的集电极 电流却是不对称的。 3．差分式放大电路的特点 （1）在电路组成上引入共模负反馈，电路具有对称性。分为长尾电路和带恒流源的 电路。 （2）在电路性能上有较强的抑制共模信号（抑制零点飘移）能力和放大差模信号的 能力。 注意比较负反馈放大电路和波形产生电路中自激条件的异同。对每一类波形产生电 路，都要从产生振荡的条件出发，分析其电路组成和工作原理。 一、正弦波振荡的条件 1.振荡平衡条件：AF=1 幅度平衡条件：|AF|=1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） 2.起振条件：AF>1 幅度起振条件：|AF|>1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） 观看动画 二、正弦波产生电路其组成包括放大、反馈、选频、稳幅等基本部分。以保证产生单一频率和幅值稳 定的正弦波。根据选频网络的不同，要求掌握 RC 桥式正弦波振荡电路的电路结构、 工作原理和振荡频率计算；三点式振荡电路的电路结构和振荡频率计算。 三、电压比较器 集成运放一般为开环或正反馈应用，处于非线性工作状态，输入与输出间不是线 性关系。其输入量是模拟量，输出量一般是高电平和低电平两种稳定状态的电压。可 用于把各种周期性信号转换成矩形波。要求掌握各种电压比较器的电路结构、传输特 性及阈值电压的计算。运算放大器(简称“运放”)的作用是调节和放大模拟信号。 常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、 视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、 计算机工作站和无线基站。 理想的运放 理想的运放如图 1 所示。通过电阻元件(或者更普遍地通过阻抗元件)施加的负反馈可以产生两种经典的 闭环运放配置中的任何一种：反相放大器(图 2)和非反相放大器(图 3)。这些配置中的闭环增益的经典等 式显示，放大器的增益基本上只取决于反馈元件。另外，负反馈还可以提供稳定、无失真的输出电压。 电压反馈(VFB) 电压反馈(VFB)运放 电压反馈运放与前文介绍的理想运放一样，它们的输出电压是两个输入端之间电压差的函数。为设计用 途，电压反馈运放的数据表定义 5 种不同的增益：开环增益(AVOL)、闭环增益、信号增益、噪声增益和环 路增益。 负反馈可以改变 AVOL 的大小。对高精度放大器来说，无反馈运放的 AVOL 值非常大，约为 160dB 或更高(电 压增益为 10,000 或更高)。图 1：理想的运放AVOL 的范围很大，在数据表中它通常以最小/最大值给出。AVOL 还随着电压电平、负载和温度的变化而变化， 但这些影响都很小，通常可以忽略不计。 当运放的反馈环路闭合时，它可以提供小于 AVOL 的闭环增益。闭环增益有信号增益和噪声增益两种形式。 信号增益(A)指输入信号通过放大器产生的增益，它是电路设计中头等重要的增益。下面给出了电压反馈 电路中信号增益的两个最常见的表达式，它们被广泛用在于反相和同相运放配置中。图 2：反相放大器(a)和非反相放大器(b)是两种经典的闭环运放配置对于反相放大器，A = -Rfb/Rin 对于同相放大器，A = 1 + Rfb/Rin 其中，Rfb 是反馈电阻，Rin 是输入电阻。 噪声增益指运放中的噪声源增益，它反映了放大器的输入失调电压和电压噪声对输出的影响。噪声增益 的等式与上述同相放大器的信号增益等式相同。噪声增益非常重要，因为它被用来确定电路稳定性。另 外，噪声增益还是在波特图中使用的闭环增益，波特图可以向电路设计工程师提供放大器的最大带宽和 稳定性信息。环路增益等于开环增益与闭环增益之差，或者等于输入信号通过放大器并由反馈网络返回 至输入端的总增益。图 3：(a)波特图上的开环增益和噪声增益曲线；(b)电流反馈运放的频率响应电压反馈运放的增益带宽积 理想运放的增益和带宽都是无限大的。最常见的真实运放采用电压反馈，这种运放的增益和频率在被称 为“增益带宽积(GBW)”的特性中是有关系的。 电压反馈运放中的这种关系允许电路设计工程师通过控制 反馈电阻(或者阻抗)，在带宽和增益之间进行折衷。 对数响应曲线(波特图)给出 了电压反馈运放的增益随频率的变化关系，并有助于解释 GBW。从直流到由 反馈环路的主极点决定的频率之间，增益是恒定不变的。在该频率之上，增益以 6dB/8 倍程或 20dB/10倍程的速率衰减。这称为单极或者一阶响应。6dB/8 倍程的衰减速率意味着如果频率升高一倍，增益就 会减半。电压反馈运放的这种特性使电路设计工程师可在带宽和增益之间进行折衷。 在一个波特图中画出运放的开环增益和噪声增益曲线，两者的交叉点决定了最大带宽或放大器的闭环频 率(fCL)(图 4)。这两条曲线的交叉点在波特图增益轴(纵轴)上处于比最大增益小 3dB 的位置上。事实上， 噪声增益渐近地逼近开环增益。渐近响应和真实响应在 fCL 上下各一个倍程上之差将为 1dB。图 4：(a)运放的输入失调电压；(b)运放的输入偏置电流运放的供电 第一款单片运放正常工作所需的电源电压范围为±15V。 如今， 由于电路速度的提高和采用低功率电源(如 电池)供电，运放的电源正在向低电压方向发展。 尽管运放的电压规格通常被指定为对称的两极电压(如±15 V)，但是这些电压却不一定要求是对称电压 或两极电压。对运放而言，只要输入端被偏置在有源区域内(即在共模电压范围内)，那么±15V 的电源 就相当于+30V/0V 电源，或者+20V/–10V 电源。运放没有接地引脚，除非在单电源供电应用中把负电压 轨接地。运放电路的任何器件都不需要接地。高速电路的输入电压摆幅小于低速器件。器件的速度越高，其几何形状就越小，这意味着击穿电压就越 低。由于击穿电压较低，器件就必须工作在较低电源电压下。 如今，运放的击穿电压一般为±7V 左右，因此高速运放的电源电压一般为±5V，它们也能工作在+5V 的 单电源电压下。 对通用运放来说，电源电压可以低至+1.8V。这类运放由单电源供电，但这不一定意味必须采用低电源电 压。单电源电压和低电压这两个术语是两个相关而独立的概念。 运放的工艺技术 运放主要采用双极性工艺技术，但在要求在同一芯片中集成模拟和数字电路的应用中，采用 CMOS 工艺的 运放工作得很好。JFET 有时在输入级采用，以增加输入阻抗，从而降低输入偏置电流。FET 输入运放(无 论是 N 沟道还是 P 沟通)允许芯片设计工程师设计出输入信号电平可扩展至负电压轨和正电压轨的运放。 由于 BJT 是电流控制型器件，所以输入级中的双极晶体管总是汲取一些偏置电流(IB)(图 7)。但是，IB 会流经运放外部的阻抗，产生失调电压，从而导致系统错误。制造商通过在输入级采用 super-beta 晶体 管或通过构建一个补偿偏置输入架构，来解决这个问题。super-beta 晶体管具有极窄的基极区，该基极 区所产生的电流增益要比标准 BJT 中的电流增益大得多。这使得 IB 非常低，但这是以频率响应性能降低 为代价的。在偏置补偿输入中，小电流源被加在输入晶体管的基极，这样，电流源可提供输入器件所需 的偏置电流，从而大幅减小外部电路的净电流。 与 BJT 相比，CMOS 运放的输入阻抗要高得多，从而使该电流源输出的偏置电流和失调也小得多。另一方 面，与 BJT 相比，CMOS 运放具有更高的固有失调电压和更高的噪声电压，特别是在频率较低的情况下。 按应用对运放进行分类 芯片制造商利用不同的电路设计和工艺技术来强调针对特定应用的某些运放特性。上表列出了这些运放 类型的常用术语，以及它们的特性和应用范围。运算放大器应用设计的几个技巧运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领 域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。在运算放大器的实际应用中，设计工程师经 常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、PCB 设计等方面的问题。 如何实现微弱信号放大？ 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型 的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？对于微弱信号的 放大， 只用单个放大器难以达到好的效果， 必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段， 而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大 器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的 SPDT 模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低 噪声运算和低噪声电阻。建议如下： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、 BB(已被 TI 收购)、ADI 等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大 改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的 nA 级， 选择输入电流 pA 级的运放即可。 如果对速度没有多大的要求， 运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M 欧级好一些。否则对电阻要求比较高。 后级再进行 2 级放大，中间加入简单的高通电路，抑制 50Hz 干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选 择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考 电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成 本低而且方便，双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种 基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的 PSRR。 但若采用电阻分压方式， 必须考虑电 源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR 比较低。 如何解决运算放大器的零漂问题？ 三、 如何解决运算放大器的零漂问题？ 有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是 在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问 题？ 对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂： 1)反馈电容 ESR 特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放 大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器 的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认 为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、 运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电 阻太LFC2 高增益运算放大器 LFC3 中增益运算放大器 LFC4 低功耗运算放大器 LFC54 低功耗运算放大器 LFC75 低功耗运算放大器 F003 通用Ⅱ型运算放大器 F004(5G23) 中增益运算放大器 F005 中增益运算放大器 F006 通用Ⅱ型运算放大器 F007(5G24) 通用Ⅲ型运算放大器 F010 低功耗运算放大器 F011 低功耗运算放大器 F1550 射频放大器 F1490 宽频带放大器 F1590 宽频带放大器 F157/A 通用型运算放大器 F253 低功耗运算放大器 F741(F007) 通用Ⅲ型运算放大器 F741A 通用型运算放大器 F747 双运算放大器 OP-07 超低失调运算放大器 OP111A 低噪声运算放大器 F4741 通用型四运算放大器 F101A/201A 通用型运算放大器 F301A 通用型运算放大器 F108 通用型运算放大器 F308 通用型运算放大器 F110/210 电压跟随器 F310 电压跟随器 F118/218 高速运算放大器 F441 低功耗 JEET 输入运算放大器 F318 高速运算放大器 F124/224 四运算放大器 F324 四运算放大器 F148 通用型四运算放大器 F248/348 通用型四运算放大器 F158/258 单电源双运算放大器 F358 单电源双运算放大器 F1558 通用型双运算放大器 F4558 双运算放大器 LF791 单块集成功率运算放大器 LF4136 高性能四运算放大器 FD37/FD38 运算放大器 FD46 高速运送放大器LF082 高输入阻抗运送放大器 LFOP37 超低噪声精密放大器 LF3140 高输入阻抗双运送放大器 LF7650 斩波自稳零运送放大器 LZ1606 积分放大器 LZ19001 挠性石英表伺服电路变换放大器 LBMZ1901 热电偶温度变换器 LM741 运算放大器 LM747 双运算放大器 OP-07 超低失调运算放大器 LM101/201 通用型运算放大器 LM301 通用型运算放大器 LM108/208 通用型运算放大器 LM308 通用型运算放大器 LM110 电压跟随器 LM310 电压跟随器 LM118/218 高速运算放大器 LM318 高速运算放大器 LM124/224 四运算放大器 LM324 四运算放大器 LM148 四 741 运算放大器 LM248/348 四 741 运算放大器 LM158/258 单电源双运算放大器 LM358 单电源双运算放大器 LM1558 双运算放大器 OP-27CP 低噪声运算放大器 TL062 低功耗 JEET 运算放大器 TL072 低噪声 JEET 输入型运算放大器 TL081 通用 JEET 输入型运算放大器 TL082 四高阻运算放大器(JEET) TL084 四高阻运算放大器(JEET) MC1458 双运放(内补偿) LF147/347 JEET 输入型运算放大器 LF156/256/356 JEET 输入型运算放大器 LF107/307 运算放大器 LF351 宽带运算放大器 LF353 双高阻运算放大器 LF155/355 JEET 输入型运算放大器 LF157/357 JEET 输入型运算放大器 LM359 双运放(GB=400MC) LM381 双前置放大器 CA3080 跨导运算放大器 CA3100 宽频带运算放大器 CA3130 BiMOS 运算放大器CA3140 BiMOS 运算放大器 CA3240 BiMOS 双运算放大器 CA3193 BiMOS 精密运算放大器 CA3401 单电源运算放大器 MC3303 单电源四运算放大器 MC3403 低功耗四运放 LF411 低失调低漂移 JEET 输入运放 LF444 四高阻抗运算放大器 µpc4558 低噪声宽频带运放 MC4741 四通用运放 LM709 通用运放 LM725 低漂移高精度运放 LM733 宽带放大器 LM748 双运放 ICL7650 斩波稳零运放 ICL7660 CMOS 电压放大(变换)器