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权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

2018-04-18 16:42 来源:陈永真 编辑:电源网

运算放大器来源于电子线路,与电子技术的发展息息相关。

运算放大器是每位电子工程师必须研习的对象,为了给工程师们提供优质的电子工程知识,电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真,辽宁工业大学教授,长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试,参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目,并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧!

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

6.集成运算放大器的优点和发展趋势分析

6.1 集成运算放大器的优势

前面讲了集成运算放大器和深度负反馈引入的优缺点。似乎集成运算放大器并没有什么优势,深度负反馈后也不是那么的理想。然而,在实际应用中,根据实际应用,恰当选择集成运算放大器和负反馈,集成运算放大器还是极具优势的,这是不容置疑的,除非集成运算放大器和负反馈选择不恰当。那么集成运算放大器都具有哪些优势呢?

6.2 集成运算放大器构成的电路具有几乎完美的功能

集成运算放大器是在分立元件放大器基础上将各个晶体管制作在同一芯片内,同时根据集成电路制造工艺的特点将分立元件的电路单元性能优化。

集成运算放大器的性能非常接近于理想运算放大器的特性,这使得在设计由集成运算放大器构成的运算电路时,可以用理想运算放大器的计算方法所得到的实际的用集成运算放大器构成的运算电路与设计值在工程上很完美的“一致”。

6.2.1很容易的实现极高的开环电压增益

由于集成运算放大器采用有源负载,使得中间级一级的增益很容易超过1 000倍甚至10 000倍!为集成运算放大器的极高增益打下坚实的基础。集成运算放大器的极高开环增益使得集成运算放大器更接近于无穷大增益的理想运算放大器,也抵消了因负反馈所造成的增益损失,放大器的增益仅取决于反馈系数。使电子电路可以完成运算功能。

在带有反馈回路的工作状态下,极高的开环电压增益可以使得集成运算放大器的同相输入端与反相输入端的电压差极其微小,甚至可以忽略,于是在运算放大器电路的分析中就有了“虚短”和“虚断”的概念,并极大的简化了集成运算放大器的设计与计算。

试想,一个开环电压增益为一百万倍的集成运算放大器(属中低档的集成运算放大器性能)输出电压10V时对应的同相输入端和反相输入端的电压差仅为10μV!如此小的电压差相对于伏特级电压绝对可以忽略!

6.1.2很容易获得极高的共模抑制比

集成运算放大器具有极高的共模抑制比,即使是通用型集成运算放大器也会有近80dB的共模抑制比,这就会使输入的共模噪声即使通过集成运算放大器的输入到输出,其转化为差模噪声的幅度被衰减10 000倍!作为高精度运算放大器(如OP177),其共模抑制比甚至会达到140dB,也就是衰减一千万倍!

6.1.3具有极强的电源电压适应能力

通用集成运算放大器可以工作在±3V~±18V的很宽的工作电压范围,也可以工作在单电源电压条件下。不仅如此,由于集成运算放大器的极高开环增益,也使得集成运算放大器具有极高电源抑制比,即使是通用型集成运算放大器也具有70dB以上的电源抑制比。适用于低压、微功耗应用场合的微功耗集成运算放大器甚至可以工作在0.9V,即使干电池、镍氢电池电压极端低的状态下也能工作。

6.1.4具有极低的输入偏置电流和输入失调电压、电流

极低的输入偏置电压、电流可以使得集成运算放大器对输入信号的分流与衰减,以精确的运算或放大输入信号,确保运算精度。极低的输入失调电压可以保证集成运算放大器的运算精度。

6.1.5很容易得到高输入阻抗甚至极高的输入阻抗

对于放大器性能而言,总是希望输入阻抗越高越好,这样可以尽可能的减小因放大器的输入阻抗对输入信号的衰减和相移。

6.1.6很容易实现真正的直流放大

集成运算放大器内部各环节是直接耦合的,因此输入的直流信号可以被有效的放大。由于引入深度负反馈,集成运算放大器的负反馈可以有效地将输出端的静态工作电锁定在“零电位”。这样从输入端到输出端,直流信号不被任何其它信号干扰,真正的做到了直流放大。为了防止直流漂移,还可以采用斩波稳零的输出零漂抑制的方法。

6.1.7很容易得到比较高的输出能力

一般的放大电路的带负载能力很差,如果要驱动10mA以上的负载需要附加电路。集成运算放大器本身带有输出级,具有一定的输出驱动能力,最大输出电流至少可以达到20mA以上,现在的低电压集成运算放大器甚至可以达到50mA。专用的集成运算放大器如集成功率放大器的驱动电流可以达到数安培!功率集成运算放大器甚至可以驱动近10A的电流!

在相同的电源电压条件下,集成运算放大器的输出电压幅度高于一般的分立元件的放大电路。在±15V电源电压条件下,输出电压幅度可以达到电源电压的80%以上。满幅度输出的集成运算放大器,输出电压幅度几乎与电源电压幅度相等,这是分立元件绝对不可及的。

单片功率集成运算放大器或单片集成功率放大器的输出功率可以超过100W!

如果需要高电压输出可以选用高压集成运算放大器,最高的工作电压可以达到1200V!输出电压幅度可以超过1100V

6.2 集成运算放大器可以完成“所有的”模拟电路功能

集成运算放大器可以完成“所有的”模拟电路功能,不管是线性的还是非线性的电路,只要是能想到的几乎都能实现

在一般的放大电路中,常见的有:比例放大器、跟随器、加法器、减法器、乘法器、除法器、对数电路、反对数电路、积分器、微分器、逆运算电路、波形发生器。除此之外还有高共模抑制比、高输入阻抗的仪表放大器和微弱信号放大器;

为了获得高输出功率、高输出电压,在一般应用领域有:功率放大器、高压放大器,稳压器等;

在高速应用领域有:高速/宽带放大器、高速驱动器等;

在数据转换应用中还有A/D转换、D/A转换、采样保持电路等。

如果需要放大电路功耗尽可能的低、工作电压尽可能的低,有微功耗放大器、极低电源电压放大器;

如果需要输出电压幅度接近电源电压幅度,可与采用满幅放大器得到满幅度输出的性能;

集成运算放大器可以构成电子滤波器,如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等;

模拟/数字转换以及数字/模拟转换领域中,集成运算放大器是不可或缺的。例如采样保持电路,这是非集成运算放大器所不能实现的。

在信号电平比较应用中,各种比较器是不可或缺的,要想精确地对输入信号进行比较并得出正确结果就需要具有极高增益的比较器,比较器是一种特殊的集成运算放大器。有的信号比较还需要极快的速度,集成运算放大器中的比较器具有极快的响应速度。

6.3 集成运算放大器可以尽可能的简化电路

应用集成运算放大器可以尽可能的简化电路,通过下面的例子可以看到应用集成运算放大器构成的电子线路的简洁与优势。

6.3.1跟随器

用集成运算放大器可以构成尽可能简化的电子线路。例如跟随器电路仅仅需要集成运算放大器就可以了,不需要外接元件,也不需要计算工作点和调试。应用集成运算放大器构成的跟随器和应用分立元件构成的跟随器电路如图。

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

集成运算放大器构成的跟随器和分立元件构成的跟随器电路

图中,(a)为应用集成运算放大器的跟随器电路,(b)为应用分立元件构成的跟随器电路。可以看到应用集成运算放大器构成的跟随器电路比应用分立元件构成的跟随器电路简单得多。

6.3.2反相放大器

即使是一般的反相放大器,也仅仅需要输入电阻、反馈电阻和同相输入端的匹配电阻,同样不需要计算工作点和调试。应用集成运算放大器构成的反相放大器电路和应用分立元件构成的反相放大器电路如图(a)、图(b)。

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

由集成运算放大器构成的反相放大器电路和由分立元件构成的反相放大器电路

6.3.3差动放大器

利用集成运算放大器构成差动放大器也仅仅需要4个电阻,既不需要设计工作点的参数,也不需要调试;

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

由集成运算放大器构成的差动放大器电路和由分立元件构成的差动放大器电路

由上述三例可以看到,即使是简单的放大电路,集成运算放大器也具有电路简单的优势,而且在元器件、电路板的成本上也接近分立元件放大器。这样,仅仅从简单的电子线路角度看,由集成运算放大器构成的电子线路的性能价格比将高于分立元件电子线路,电路功能比上述三例更复杂的电路集成运算放大器将具有不可替代的优势。

6.4 集成运算放大器构成的电路的性能价格比是最高的

在三类城市,集成运算放大器可以以0.8元的零售价买到四运算放大器(LM324),而小信号双极型晶体管的零售价至少要0.2元,电阻的单价也要0.02~0.03元,电容器的单价也要0.1元或更高。这样就可以看到图1.20~图1.22电路,分立元件构成的电路没有竞争力。

由于集成运算放大器可以与晶体管具有相同尺寸的封装(SOT23)。这样,在电路板上占用的面积看,元器件少的电路必然可以减小电路板的体积,这就会进一步降低用集成运算放大器构成的电路的成本。

不仅如此,应用集成运算放大器几乎可以不需要调试,而且应用集成运算放大器构成的电路的精度、稳定性、漂移和驱动能力也远远的高于分立元件构成的电路。

这样从元器件成本、附加成本和技术性能综合考虑,应用集成运算放大器的性能价格比要高于分立元件构成的电路。

6.5 集成运算放大器可以减少电子工程师的劳动

相对分立元件来说,应用集成运算放大器设计电子线路可以减少电子工程师的工作量,可以通过以下几个方面看到

首先,应用集成运算放大器设计电子线路会由于集成运算放大器的引入而使得构成的相同功能的电子线路相比极其简单。由于集成运算放大器在设计时就已经将工作状态设计在相对最佳状态,不需要电子工程师重新考虑集成运算放大器的工作点问题。不像分立元件构成的电子线路那样需要考虑电路中的晶体管的工作点电位与电流;

其二,集成运算放大器电路有很多成型的应用电路,几乎覆盖所有的模拟电子线路可供参考。因此,对于一般的应用,没有必要自己“创新”研究一个新型电子线路的电路结构。除了用单只集成运算放大器构成电子线路外,在单个集成运算放大器性能不能满足要求(如极高的共模抑制比、极高的输入阻抗、高增益,或者是宽带放大器,或者是需要输出端稳零等),还可以通过不同功能集成运算放大器单元,充分发挥各集成运算放大器电路单元的独特特性,将电子线路的性能发挥到极致,实现满足高性能要求的电子线路。

其三,集成运算放大器内置输出级,具有一般电子线路需要的驱动能力,不需要考虑增加输出级。如果需要很大的驱动能力,还可以应用特殊用途的集成运算放大器—集成功率放大器,既可以保留通用型集成运算放大器的所有功能,还可以获得数安培的输出带负载能力。

其四,很容易获得高压电子线路,可以利用高压集成运算放大器构成高压电子线路,如果采用分立元件,其复杂程度将很难想象。

6.6 集成运算放大器的通用性

在相同的封装装形式下,集成运算放大器的管脚功能是相同的,这就为在一般应用条件下的集成运算放大器的互换创造了条件。

对于单运算放大器,通常采用双列直插八脚或表面贴装双列八脚封装,其各管脚功能如图。

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

单运算放大器的管脚定义及功能

由于单运算放大器有足够的空闲管脚用来提供输出端电压调零,因此单运算放大器均带有输出电压调零端,即管脚1和管脚5。由于各种型号的集成运算放大器的内部等效电路的差异,调零端的调零用的可调电阻的中心抽头有的接在正电源端,有的接在负电源端。如最常见的LM741和最古老的宽带放大器LM318的调零电位器的中心抽头接在负电源端,而OP07、OP37、NE5534等的调零电位器的中心抽头则接到正电源端,因此在应用或替换时一定要清楚这一点。如果电路没有设置调零电路,则一般的应用中,仅从管脚功能角度考虑,各型号的单运算放大器是可以互换的。

如果单运算放大器不需要调零端,则运算放大器仅需要5个管脚,在便携式电子线路中或者安装密度高的电子线路中,单运算放大器可以是5管脚封装,最典型的就是表面贴装的SOT23封装,其尺寸仅仅3.2±1.6mm,可见尺寸之极小。用SOT23-5管脚封装的单运算放大器的管脚功能如图。

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

SOT23-5管脚封装的单运算放大器的管脚功能

SOT23-5管脚封装的单运算放大器的外形尺寸如图。

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

SOT23-5管脚封装的单运算放大器的外形尺寸

如果是将两个运算放大器封装在同一个封装中则称为双运算放大器,除了LM747外绝大多数的双运算放大器均采用双列直插八脚或表面贴装八脚封装形式,各管脚功能如图。

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

双运算放大器的管脚定义及功能

由于双运算放大器封装在8管脚的封装中,8个管脚全部被用来做基本功能管脚,因此运算放大器的调零端不再设置,由此可见在一般的应用中,不一定必须设置输出电压调零的功能,这时,不设置输出电压调零功能可以简化电路。

上图的另一个特点就是每一个运算放大器的反相输入端都与输出端相邻,这样的好处就是反馈电阻在电路板上的放置被唯一确定在最佳位置,替别是采用贴片电阻时效果尤为明显。

如果是将四个运算放大器封装在同一个封装中则称为四运算放大器,四运算放大器均采用双列直插14脚或表面贴装14脚封装形式,各管脚功能如图。

权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之六

四运算放大器的管脚定以及功能

从上面两个图可以看到,双运算放大器和四运算放大器均没有调零端,这就是说,在一般的应用中,基本上不需要对运算放大器进行调零,如果需要调零,最好采用单运算放大器,如选OP0、OP37、LM741等。如果必须选择双运放或四运放,则需要施加调零电路。

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