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运放使用指南

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运放使用指南
1、 反相放大器（The Inverting Amplifier）

基本反相放大器电路如图1所示。其中，
，，当的数值远小于op开环增益时，这个数值就是反相放大器的增益，运算放大器的输入阻抗就是的值，
在设计时要注意的是：的阻值应该等于和的并联阻值，以减小输入偏置电流所带来的失调电压。。运放输入端失调电压的主要来源是偏置电流（Input bias current）和输入失调电压（Input offest voltage）。对于一个给定的op，输入失调电压就已经确定了，但是由于输入失调电流所带来的失调电压与所采用的电路的结构有关系。为了在不使用使调整电路的情况下，减小输入偏置电流所带来的失调电压，应该使得同相输入端和反相输入端对地直流电阻相等，使得由于偏置电流在输入电阻上压降所带来的失调电压相互抵消。
在低内阻信号源的放大器中，op的输入失调电压将成为失调电压误差的主要来源。
在高输入阻抗的情况下，失调电压可以采用的阻值来调整，利用输入偏置电流在其上的压降来对输入失调电压做补偿（即用这个得到的压降来抵消输入失调电压）。
在交流耦合时，失调电压并不显得很重要。这时的主要问题是：失调电压减小了输入电压峰——峰值的线性动态范围。
工作范围在闭环状态下的op和其反馈网络的增益——频率特性
为了实现稳定，op和反馈环路对任何频率的信号，在环路增益大于1时的环路相移的角度绝对不能超过。在实践上，为了达到稳定条件，相移角度不应该接近。
对于一个给定的op放大器电路，在进行电容补偿是需要在稳定性和带宽之间进行权衡。加大补偿电容可以提高稳定性。但是牺牲了放大器的增益带宽，反之亦然。
2、同相放大器（The Non-Inverting Amplifier）
图2是高输入阻抗的同相放大器电路，其闭环放大倍数，
其3dB带宽。和反相电路相比，其最大的不同点在于，其输出信号和输入信号是同相的，且其输入阻抗是相当高的，为op差模输入阻抗与环路增益的乘积。对于图2所示电路，除了一点之外，均和反相放大器相同，在输入端悬浮的状态下，本电路的输出可能绝和，这点在要求op输出电压范围能够达到电源电压范围的时候很重要，对补偿的讨论和反相放大器相同。
2、 单位增益缓冲器（The Unity-Gain Buffer）
单位增益缓冲器如图3所示。
该电路在所有的放大组态电路中，具有最高输入阻抗。其输入阻抗为开环增益与差模输入阻抗之积和共模输入阻抗串联。其增益误差为开环增益的倒数。本电路在设计时应注意的事项有3个：
① 必须对op在单位增益状态下做补偿；
② 输出电压的摆幅可能会被op的共模范围所限制；
③ 在输入超过共模范围时，有的op可能会进入阻塞状态。例如，LM107可以避免上述问题。另外，也可以选用高速op，例如LM102。
单电源运放中将信号提高至的电路
电路如图4所示。在图4a）所示电路中，C的作用是避免当调整时，A点直流电位随之变化。图4b）所示电路中，是用来阻止电路产生直流放大，电路只对交流产生放大作用。
，
图4c）所示电路中，
Impendance=,forminimum error due
To input bias current.

衰减（输出电压小于输入电压）电路
由运放组成的双电源供电的反向衰减器如图5a）所示，由单电源供电的反向衰减器如图5b）。在电路中，要小于，但这种方法是不被推荐的，因为很多运放是不适宜工作在放大倍数小于1的情况，正确的连接方法如图6a）、6b）所示，图6a）所示电路为双电源供电电路，图6b）所示电路为单电源供电电路。
对于图6a）所示电路，，对于图6b)所示电路，
表1给出了单电源供电情况下，阻值所产生的不同等级衰减，对于表中没有的阻值，可以用来计算。

表1 不同衰减等级的的阻值
dB

0
1.00

-0.5
0.9441
8.4383
-1
0.8913
4.0977
-2
0.7943
0.9311
-3.01
0.7071
1.2071
-3.52
0.6667
1.0000
-4
0.6310
0.8549
-5
0.5623
0.6424
-6
0.5012
0.5024
-7
0.4467
0.4036
-8
0.3981
0.3307
-9
0.3548
0.2750
-9.54
0.3333
0.2500
-10
0.3162
0.2312
-12
0.2512
0.1667
-13.98
0.2000
0.1250
-15
0.1778
0.1081
-15.56
0.1667
0.1000
-16.90
0.1429
0.0833
-20
0.1000
0.05556
-25
0.0562
0.02979
-30
0.0316
0.01633
-40
0.010
0.005051
Note：“-”表示衰减。
如果表1中有值，按一下方法处理：
1、 为和在1k到100k之间选择一个值，以该值作为基础值；
2、 将除以2，得到和。
3、 将基础值分别乘以1或者2，就得到了、、。如图6所示。
在表1中，给选择一个合适的比例因子，然后将它乘以基础值。例如，如果选，和就是，那么用12.1k的电阻就可以得到-3dB的衰减。
图7中所示的同相电路，也可以作为电压衰减器和同相缓冲器使用。

模拟电感
图8所示的电路是一个对电容进行反向操作的电路，用来模拟电感。电感会抵制电流的变化，所以当一个直流电平加到电感上时，电流的上升是一个缓慢的过程。并且电感中电阻上压降就是显得尤为重要。图8所示的电路中，电感

电感会更容易的让低频信号通过，它的特性正好和电容相反。一个理想的电感是没有电阻的，它可以让直流电没有任何限制的通过，对频率为无穷大的信号它有无穷大的阻抗。如果直流电压突然通过电阻加到运放的反相输入端时，运放的输出将不会有任何变化。因为这个电压通过电容也同样加到了同相输入端，运放的输出端表现出很高的阻抗，就像一个真正的电感一样。
随着电容不断的通过电阻进行充电，上的电压不断下降，运放通过吸取电流。随着电容不断的充电，最后运放的两个输入脚和输出脚上的电压最终趋向于虚地（对于图8 b）虚地为1/2VCC）。
当电容完全被充满时，电阻限制了流过的电流，这就表现出一个串联在电感的电阻。这个串联的电阻就限制了电感的Q值。正在电感的直流电阻一般会比模拟电感小得多。
模拟电感与真正的电感区别在于：
1、 电感的一般连接在虚地上;
2、 模拟电感的值无法做到很高，其值取决于串联的电阻；
3、 模拟电感并不像真正的电感一样可以储存能量，真正的电感由于磁场的作用，可以引起很多的反相尖峰电压，但是模拟电感的电压受限于运放输出电压的摆幅，所以响应脉冲受限于电压的摆幅。
运放参数实际应用
一、 理想运放与实际运放
1、 理想运放
无限的增益（Gain）；
无限的带宽（BandWidth）；
无限的输入阻抗；
无限的转换速率（SR）
0输出阻抗
0偏置电流、电压漂移（bias current,offest Voltage Drift）
无限摆幅(voltage swing)
2、 实际运放
增益=25000 to 167dB；
带宽=1KHZ to 1GHZ
压摆率=0.1~800V/ms
输入阻抗=100k~10M 2~20pf
输出阻抗=1~1k
偏置电压=0.5mV
偏置电流=10pA~250uA
电压摆幅=VCC~-VCC
共模抑制比=50~130dB
二、 偏置电流和偏置电压决定精度（对于小信号，即mv级信号而言）
直流特性
偏置电压——运放输入为0时，输出电压为△
偏流—是输入端与输出端平衡是的输入电流之差。
…………
其中—偏置电流，—偏置电压，若
将其化入式，得
结论： 输出电压中包含的误差；
高增益意味着更大的误差。
三、 常用低偏流运放（Low Bias bias current Amplifiers）
低偏置电流运放通常被描述为：
极低的输入偏置电流（Very low input bias current）<50pA
极高的输入阻抗（Very high input impedance）>
常用低偏流运放型号有:OPA227、OPA228、OPA335、OPA211、OPA637、OPA827、OPA129、OPA656。
四、 带宽和压摆率决定速度（对于大信号、即的信号）
带宽和压摆率被称为交流特性。
带宽——增益基本不变，被测不失真时的频带宽度。
压摆率（slew-rate）——输入为阶跃信号时，最大输出变化率。
例如，大信号输入芯片OPA690。
压摆率和大信号宽带

压摆率决定了对大信号的限制

五、运放的输入输出幅值
轨至轨运放分为输入输出均是轨至轨（RRIO），例如TLV246系列及仅输出为轨至轨（RRO），例如TLC2272,其输出可达电源幅值，但是输入需要比电源幅值低1.5V。

仪表放大器1
常用型号
宽带型：INA系列，INA332
低噪声型：INA118、INA2128
单电源轨至轨型INA122。
2、仪表放大器2（Instrumentation Amp）
专用仪用放大器典型电路如图9所示。在图9所示电路中，（1） 、、为仪用放大器而非通用运放，；
（2）增加输入缓冲级运放；（3）增益通过电阻设定；（4）总增益由2级放大完成，所以增益可以做到很高；（5）为满足中低频对稳定性和放大倍数的要求，增益带宽积通常小于1MHZ；（6）当需要测量相对高频信号时，需要用分立op搭建仪表放大器。
差分放大器
1、传统的差分放大器（通用运放配置成差分放大器形成的不足）
传统的差分电路如图10所示。图中，

当时
可以推出，。
一个通用型运放配置成差放电路，虽然类似仪表放大器，但它仍然是有几个主要的不定因素（电路如图11所示）。
需要外部输入和反馈电阻设置;
为了平衡增益，需要使
为了平衡输入阻抗,,而且通常不会很大，其共模抑制比（CMRR）完全取决于电阻的匹配。
2、全差放（Full Differential Amplifiers）
经典的差放一般用于直流到低频段，尽量能表现出较好的CMRR，但是其带宽相对较低，输出幅值受电源电压限制。
全差分放大器是一种全新结构的差放：
它有极好的CMRR，很高的带宽；
它的输出信号的Vpp可以突破电源电压的限制，理论上可达其两倍。
全差放的优点：
1、 增加对噪声的抑制；
在差分系统中，噪声耦合在共模电压上，无法被放大。
2、 增加输入摆幅
由于两输入端信号相位相差，所以理论上最大可达到电源电压的两倍
3、 输出共模电压由Vcom设置，与输入无关
4、 减少了偶次谐波失真。
全差分电路如图12所示。

Where ,and are constants，according to Fig12，

, and can be rewrittenas:

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