运放的关键参数详细介绍

-1-1.1运放的工作原理运放全称是运算放大器，是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。运放是一个从功能角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。-+V+V-U2AOPA2277UA/2K541328图5.1运放端口图运放如上图有两个输入端——2（反相输入端），3(同相输入端)和一个输出端1。也分别被称为反向输入端，同向输入端和输出端。一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放来制作同相、反相及差分放大器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。“轨到轨”运放的电压输出范围会很接近供电电源的电压。1.2运放的常用分类和参数1.2.1运放的常用分类按照运放的参数来分，运放可分为如下几类。1)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μA741（单运放-美国仙童60年代末后的经典）、LM358（双运放）、LM324（四运放-TI-公司有用）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。2)高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般rid＞1GΩ~1TΩ，IB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。用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。3)低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP2177（双运放_UT5215的DA输出）、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。-2-参数失调电压温漂高质量运放αUIO低于0.5uV/℃；如TI的运放OPA4277（低温漂型运放）±0.1μV/°C；如ADI的运放OP21770.3μV/°C.4)高速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电压转换速率SR一定要高（1微秒时间里电压升高的幅度，直观上讲就是电压由波谷升到波峰所需时间），单位增益带宽GBW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、μA715等，其SR=50~70V/us，BWG＞20MHz。5)低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携式仪器应用范围的扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作电压为±2V~±18V，消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级，例如ICL7600的供电电源为1.5V，功耗为10mW，可采用单节电池供电。6)可编程控制运算放大器在仪器仪表的使用过程中都会涉及到量程的问题，为了得到固定电压的输出，就必须改变运算放大器的放大倍数；例如：有一运算放大器的放大倍数为10倍，输入信号为1mv时，输出电压为10mv，当输入电压为0.1mv时，输出就只有1mv，为了得到10mv就必须改变放大倍数为100，程控运放就是为了解决这一问题而产生的，例如PGA103A，通过控制1，2脚的电平来改变放大的倍数。1.2.2运放的主要参数1)开环差模电压增益Aod一般用对数表示，定义为即放大倍数一般为十万到一千万。如TI的四通道运放OPA4277为134dB。2)输入失调电压(VIO)Inputoffsetvoltage该参数表示为了使输出电压为零，需要在输入端施加的补偿电压差。A）一般运放的输入失调电源UIO为1到10mV，如TI的四通运放TLC2274最大为1.5mV；-3-B）高质量运放UIO为1mV以下，如TI的四通运放OPA4277为10μV；再如ADI的两通运放OP2177为60μV。3)输入失调电压温漂αUIO---有关温度和精度的参数，在精度要求高的仪表或仪器中该参数值必须要小。A）一般运放αUIO10到20uV/℃；如TI的四通运放TLC2274（低噪声轨到轨）2μV/°C；B）高质量运放αUIO低于0.5uV/℃；如TI的四通运放OPA4277（低温漂型运放）±0.1μV/°C；如ADI的四通运放OP21770.3μV/°C。4)输入失调电流(IOS)IInputoffset定义：当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差，即一般运放为几十~一百纳安；高质量的低于1nA。这个参数一般都能做的很小，如常用的TLC2274、OPA4277和OP2177。5)输入偏置电流(IB)InputBiasCurrent该参数指运放输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值。6)差模输入电阻(Rid)该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。一般集成运放为几个MΩ。7)共模抑制(CMR)Common-moderejectionratio多数集成运放在80dB（一万倍）以上，高质量的可达160dB。-4-如TI的TLC2274为80dB；TI的OPA4277为115dB；ADI的OP2177为125dB.8)最大共模输入电压UIcm输入端所能承受的最大共模电压。须查规格书。9)-3dB带宽fH表示运放的开环差模增益Aod下降至-3dB（1/1.414）时的运放工作频率。一般集成运放fH只有几赫至几千赫。10)单位增益带宽(BW)fc该参数指开环差模增益Aod大于1时，运算放大器的最大工作频率。此时开环差模电压放大倍数等于1。11)增益带宽积(GBW)Gain-bandwidthproduct增益带宽积AOD*ƒ是一个常量，定义为在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。TLC2274为2.25MHz；OPA4277为1MHz；OP2177为1.3MHz。12)输出电压摆幅(VO)该参数是指输出信号能够达到的最大电压摆幅的峰值，VO。一般选用轨到轨的运放，输出电压可以接近电源的电压。13)转换速率/电压摆率(SR)额定负载条件下，输入一个大幅度的阶跃信号时，输出电压的最大变化率。单位为V/us。1纳秒时间里电压升高的幅度，直观上讲就是电压由波谷升到波峰所需时间，单位通常有V/s，V/ms，V/μs和V/ns四种，用示波器就可以测量。TLC2274为3.6V/us；OPA4277为0.8V/us；OP2177为0.7V/us。虽然在GWB和SR两个参数方面，TI的TLC2274表现要优于TI的OPA系列和ADI的OP系列运放；但是在开环差模增益、输入失调电压、输入失调电源温漂、以及共模抑制比等几个参数上要比OPA系列和OP系列表现差。-5-TLC系列运放成本低。在选择运放时要综合考虑各个因素，做出最优的选择。