电子设计大赛-运算放大器_2018年全国电子设计大赛运放

作者：空白诗007 | 2024-08-19 03:36:58

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2018年全国电子设计大赛运放

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运算放大器基本特性

常用运算放大器类型

运算放大器一般可分为通用型、精密型、低噪声型、高速型、低电压低功率型、单电源型等几种。本节以美国TI公司的产品为例，说明其各类的主要特点。
(1)通用型运算放大器通用型运算放大器的参数是按工业上的普通用途设定的，各方面性能都较差或中等，价格低廉，其典型代表是工业标准产品μA741、LM358、OP07、LM324、LF412等。
(2)精密型运算放大器要求运算放大器有很好的精确度，特别是对输入失调电压UIO、输入偏置电流IIB 、温度漂移系数、共模抑制比KCMR等参数有严格要求。如UIO不大于lmV，高精密型运算放大器的UIO只有几十微伏，常用于需要精确测量的场合。其典型产品有 TLC4501／TLC4502、TLE2027／TLE2037、TLE2022、TLC2201、TLC2254等。
(3)低噪声型运算放大器也属于精密型运算放大器，要求器件产生的噪声低，即等效输入噪声电压密度σVn≤15nV／，另外需要考虑电流噪声密度，它跟输入偏流有关。双极型运算放大器通常具有较低的电压噪声，但电流噪声较大，而CMOS运算放大器的电压噪声较大，但电流噪声很小。低噪声型运算放大器的产品有TlE2027／TLE2037、TLE2227／TLE2237、TlC2201、TLV2362／TLV2262等。
(4)高速型运算放大器要求运算放大器的运行速度快，即增益带宽乘积大、转换速率快，通常用于处理频带宽、变化速度快的信号。双极型运算放大器的输入级是JFET的运算放大器，通常具有较高的运行速度。典型产品有TlE2037／TLE2237、TLV2362、TLE2141／TLE2142／TLE2144、TLE2071、TLE2072／TLE2074、TLC4501等。
(5)低电压、低功率型运算放大器用于低电压供电，如3V电源电压运行的系统或电池供电的系统。要求器件耗电小(500μA)，能低电压运行(3V)，最好具有轨对轨（rail to rail）性能，可扩大动态范围。主要产品有TLV2211、TLV2262、TLV2264、TLE2021、TLC2254、TLV2442、TLV2341等。
(6)单电源型运算放大器单电源运算放大器要求用单个电源电压(典型电压为5V)供电，其输入端和输出端的电压可低达0V。多数单电源型运算放大器是用CMOS技术制造的。单电源型运算放大器也可用于对称电源供电的电路，只要总电压不超过允许范围即可。另外，有些单电源型运算放大器的输出级不是推挽电路结构，当信号跨越电源中点电压时会产生交越失真。

运算放大器的基本参数

表示运算放大器性能的参数有：单/双电源工作电压、电源电流、输入失调电压、输入失调电流、输入电阻、转换速率、差模输入电阻、失调电流温漂、输入偏置电流、偏置电流温漂、差模电压增益、共模电压增益、单位增益带宽、电源电压抑制、差模输入电压范围、共模输入电压范围、输入噪声电压、输入噪声电流、失调电压温漂、建立时间、长时间漂移等。
不同的运算放大器参数差别很大，使用运算放大器前需要对参数进行仔细的分析。

运算放大器选用时注意事项

（1）若无特殊要求，应尽量选用通用型运放。当一个电路中有多个运放时，建议选用双运放（如LM358）或四运放（如LM324等）。
（2）应正确认识、对待各种参数，不要盲目片面追求指标的先进，例如场效应管输入级的运放，其输入阻抗虽高，但失调电压也较大，低功耗运放的转换速率必然也较低；各种参数指标是在一定的测试条件下测出的，如果使用条件和测试条件不一致，则指标的数值也将会有差异。
（3）当用运放作弱信号放大时，应特别致意选用失调以及噪声系数均很小的运放，如ICL7650。同时应保持运放同相端与反相端对地的等效直流电阻等。此外，在高输入阻抗及低失调、低漂移的高精度运放的印刷底板布线方案中，其输入端应加保护环。
（4）当运放用于直流放大时，必须妥善进行调零。有调零端的运放应按标准推荐的调零电路进行调零；若没有调零端的运放，则可参考图3.2.1进行调零。
（5）为了消除运放的高频自激，应参照推荐参数在规定的消振引脚之间接入适当电容消振，同时应尽量避免两级以上放大级级连，以减小消振困难。为了消除电源内阻引起的寄生振荡，可在运放电源端对地就近接去耦电容，考虑到去耦电解电容的电感效应，常常在其两端在并联一个容量为0.01~0.1µF的瓷片电容。

图3.2.1 常见的调零电路

基本运放应用电路

反相输入比例运算电路

反相输入比例运算电路如图3.2.2所示，其电压放大倍数为

为使输入电流引起的误差最小，应取平衡电阻Rp= Rf//R1。当Rf= R1时，Au f = -1，即vo= -vi，电路为反相器。

图3.2.2 反相输入比例运算电路

实际应用时还应注意以下几点：
（1）本电路的电压放大倍数不宜过大。通常Rf宜小于1MΩ，因Rf过大会影响阻值的精度；R1不宜过小，R1过小将要从信号源或前级吸取较大的电流。
（2）作为闭环负反馈工作的放大器，其小信号上限工作频率fH 受运放增益带宽积GWB= Avd∙fH的限制。以µA741为例，其开环差模电压放大倍数Aud=105倍，开环fH=10Hz，故运放的单位增益上限频率fT=1MHz，即作为电压跟随器或反相器工作时的最高工作频率为1MHz。若用µA741设计Auf为20dB即便10倍的放大电路，则电路允许的上限频率为100kHz。
（3）如果运放工作于大信号输入状态，则此时电路的最大不失真输入幅度Vim及信号频率将受运放转换速率SR的制约。仍以µA741为例，其SR=0.5 V/µs,若输入信号的最高频率为100kHz，则其不失真最大输入电压Vim<=(SR)/(2fmax)=0.5106/2105=0.8V。

同相输入比例运算电路

同相输入比例运算电路如图3.2.3所示电路，其电压放大倍数为：

图3.2.3 同相输入比例运算电路

为使输入电流引起的误差最小，应取平衡电阻Rp=Rf//R1。当Rf//R1=0时，即使用一根导线替代Rf，Auf=1，电路演变成为电压跟随器。

反相输入比例求和电路

反相输入比例求和电路如图3.2.4所示电路，其输出电压为：
在这里插入图片描述

平衡电阻Rp= Rf// R1// R2// R3。

图3.2.4 反相输入比例求和电路

差动放大电路

差动放大电路如图3.2.5所示电路，其输出电压为：
Vo= (Rf/ R1)∙V1+(1+ Rf/ R1)·(1+ R3/ (R2+ R3))·V2

图3.2.5差动放大电路

积分运算电路

积分运算电路如图3.2.6所示电路，其输出电压为：

图3.2.6 积分运算电路

通常，为限制低频电压增益，在积分电容C两端并联一个阻值较大的电阻Rf。当输入信号的频率fi>1/(2 RfC)时，电路为积分器；若fi«1/(2 RfC)，则电路近似于反相比例运算器，其低频电压放大倍数Avf Rf/ R1 。当Rf=100kΩ、C=0.022F时，积分与比例运算的分界频率约为1/(2 RfC)= 1/(2 1001030.022106)=72Hz。

测量放大电路

测量放大器又称数据放大器、仪表放大器。其主要特点是：输入阻抗高、输出阻抗低，失调及零漂很小，放大倍数精度可调，具有差动输入、单端输出，共模抑制比很高。适用于大的共模电压背景下对缓变微弱的差值信号进行放大，常用于热电偶、应变电桥、生物信号等的放大。

三运放测量放大器

三运放测量放大器电路如图3.2.7所示。其电压放大倍数为：Auf =1+2 R1/ RG。

图3.2.7 三运放测量放大电路

单片集成测量放大器

市场上测量放大器品种繁多，有通用型如INAll0、INAll4／115、INAl31等；有高精度型如AD522、AD524、AD624等；有低噪声低功耗型如INAl02、INAl03等及可编程型如AD526。下面介绍高精度型单片集成测量放大器AD522。
AD522是美国AD公司生产的单片集成测量放大器。图3.2.8给出了它的引脚图，用它接成的电桥放大电路见图3.2.9。
其引脚说明如下：
l、3脚：信号的同相及反相输入端；
2、14脚：接增益调节电阻；
7脚：放大器输出端；
8、5、9脚：分别为V+、V-及地端；
4、6脚：接调零电位器；
11脚：参考电位端，一般接地；
12脚：用于检测；
13脚：接输入信号引线的屏蔽网，以减小外电场的干扰。为提供放大器偏置电流的通路，信号地必须与电源地端9脚相连。负载接于11与7脚之间，同时11脚必须与9脚相连，以使负载电流流至地端。
放大器的放大倍数为，RG单位为KΩ。

在这里插入图片描述