运放原理及选型

内容摘要1.运放基本概念；2.运放的特点；3.运放的基本参数；4.运放的分类；5.运放的选型；6.运放的典型应用。1.运放的基本概念：•运放是集成运算放大器的简称，它由十几只乃至近百只晶体管和其它阻容元件构成的，并带有深度负反馈的直接耦合放大器，其内部电路可由图1的方框图表示。2.运放的特点•无论那种运放都有两个输入端，即同向输入端V+，反向输入端V-，一个输出端Uo。它的基本特性：当从同向端输入信号时，其输入与输出同相位；当反向输入端输入时，输出与输入信号相位相反。当同向输入端和反向输入端同时注入不同信号时，输出端输出的信号是它们的代数和。3.运放的基本参数运放的主要参数有：工作电压、静态工作电流、信噪比、电压最大增益、功耗、输入失调电压、输入失调电流、输入阻抗、输出阻抗、增益带宽积、转换速率、调整时间、轨至轨性能、温漂、等。3.运放的基本参数工作电压：使运放正常工作的供电电压；静态工作电流：在没有输入的情况下，运放所消耗电源的电流；信噪比：信号能量与噪声能量之比；3.运放的基本参数电压最大增益：20㏒（VO/VI)；输入失调电压、输入失调电流：当运放处于闭合环路并且增益很大时，在放大器的输出端得到了放大了的误差电压（电流）后，再除以测得的增益，就可得到输入失调电压（电流）。增益带宽积（GBW)：带宽与放大倍数的乘积，一般随工作频率的升高，放大倍数会降低。3.运放的基本参数转换速率（slewrate）：也称压摆率，指在额定负载条件下，当输入边沿陡变为大信号时，运放输出电压的变化与所用时间的比值，即输出电压变化率。轨至轨性能：输出电压能够摆动到轨（正负供电电压）的性能，为输出提供最大电压摆幅。3.运放的基本参数调整时间：放大器输入一理想阶跃信号，其输出达到规定的终值偏差范围内的时间；温漂：失调电压、失调电流随温度变化的程度；噪声电压密度：电压噪声/√工作频率；偏置电压：运放内部加入的直流电压分量，表现在输出引入了直流分量。3.运放的基本参数频率响应：运放的输出电压和相位随频率变化的关系；一般，在增益和输入固定情况下，输出电压会随频率的提高而降低。输出与输入的相位差会随频率升高而加大。所以应根据使用需要选择具有比使用频率更高的带宽的运放。总谐波失真(THD)：输出比输入多出的谐波成分。4.运放的分类：•1〉通用型这类运放无特殊要求，常在普通电路中使用，价格也很低廉，比如UA741、LM324、LM358;•2〉微偏流（高阻）型这类运放的输入阻抗极高，常以场效应管作为输入极，其输入电流低到pA(10-12)级，比如AD549、OPA128等；4.运放的分类：3〉低功耗型这类运放自身功耗极低，常以电池供电，其静态耗电仅为20uA，比OP90G、LP324等；4〉高精度型这类运放的失调电压及温漂极小，具有很高的稳定性。对频率特性要求不高，主要用于电子仪器中，比如OP07、OP177等；4.运放的分类：5〉低噪声型这类运放的特点是噪声电压密度极低，已低至0.85nV/1kHz。主要用于高级音响的前置极，比如AD829、LT1028就属这类运放；6〉高速运放这类运放主要用在高频高带宽的电子设备中，通常采用电流负反馈方式，它的转换速率很高，可达2000V/us以上。比如LM318，EL2030A，AD8001A就属这类运放。4.运放的分类：7〉电流型这类运放输出电流大，常在音频功放及电机驱动电路中，比如TDA2007、LM1875、OPA541等。就OPA541来说，它输出的最大电流可达10A，输出功率达125W。除此之外还有高压型、程控型、跨导型等。运放的引脚数通常为8脚、9脚、14脚、16脚等几种。根据集成运放的数量，可分成单运放、双运放、四运放。5.运放的选型：在实际应用中除了供电电压和供电电流额定值外，可能只有3或4项关键参数决定运算放大器是否适合使用。对于音频电路来说，输入频率在20－20KHz，输入压摆率小于0.5V/us,放大器就需要具有比该指标大10-20倍的压摆率。同时总谐波失真要求小于0.01%。电压噪声密度要求小于50nV/√Hz。对于高质量的音频应用来说，电压噪声密度甚至需低于5nV/√Hz。5.运放的选型：针对此种应用从几种常用的音频运放来看选用LM833与LM837明显要强于LF347与LF353。5.运放的选型：对于驱动马达的应用，为了能送出最大的功率，输出电压能够摆动到接近电源轨电平的能力至关重要，而且输出电流必需足够满足负载的要求。对于高速应用场合，需要比输入信号频率范围更宽的闭环带宽。由于大多数的高速应用都是交流耦合的所以直流的技术指标，例如偏置电压和漂移就不那么重要了。主要关注增益带宽积、转换速率、调整时间等参数。常见的运放有LM318、μA715等，其SR=50~70V/us，GBW＞20MHz。5.运放的选型：即使在信号为直流耦合的视频应用中，由于使用的增益比较低，这就使得偏置电压不是很重要，但是共模性能很重要。因此在视频应用中出现了两个额外的技术指标-差分增益和差分相移。对于复合视频信号需要极低的差分增益和差分相移。而对于其他视频信号如RGB信号，要求高带宽、高转换速率、和高信噪比。5.运放的选型：•在自动测试系统中迅速改变输出电平的能力至关重要，应主要关注转换速率和调整时间。•在精密的测量应用中，很多传感器会产生低幅度的信号，频率较低，还包括直流。这类应用主要关注失调电压、温漂、噪声、稳定性，对频率要求不高。5.运放的选型：•在电池电源供电的设计中，要求运放极低的工作电流，带宽和压摆率要求不高，供电电流范围50uA-1.5mA,增益带宽积50kHz-3MHz。•对于低电压应用常常强调运放的轨至轨输出能力。5.运放的选型：除以上所提选型规则外在应用时还需考虑以下指标：•1〉运放供电电压大小和方式；•2〉运放封装；•3〉尺寸形状；•4〉制造等级、精度；•5〉商家品牌、信誉、价格、服务。5.运放的选型：运放的供电电压大小和方式：运放供电方式分为单电源供电、双电源供电。目前比较常用的供电电压有＋5V，＋5V，＋3.3V，＋15V等。运放的封装：目前光端机上常用的运放的封装有SO8NB、SO14NB、TO263等。使用尽量选用贴片封装，占空间小，布板方便，目前已不选用插件封装。5.运放的选型：制造等级：目前运放产品分制造等级分商业级、工业级、军用级三等。商业级一般环境温度为0℃－70℃.工业级一般环境温度为-25℃－85℃.价格为商业级×（1＋30％）军用级一般环境温度为-55℃－125℃.价格为商业级×（2)5.运放的选型：商家品牌、信誉、价格、服务在选用器件的时候尽量选择知名商家产品，信誉、质量、技术支持都有保障。价格应该适中选择。目前公司常选用品牌有国半、TI、美信等。6.运放的典型应用简单加法器电路图（a），运放构成的反向放大器，U1U2为两个相加电压，Uo是电压和，当R1=R2=R3时，放大倍数A=1，R4为平衡电阻，阻值为R4=R1//R2//R3,用以提供适当偏流防止失调；当R1、R2、R3不相等时按以下公式计算Uo=－U1*R3/R1－U2*R3/R26.运放的典型应用•运放构成的减法电路，是种差动放大器，U1，U2为两个待减电压，Uo是差值当R1=R2=R3=R4时A=1，Uo＝U2-U1;当R1、R2、R3、R4不相等时，按以下公式计算，Uo＝（U2*R4*R1-U1*R2*R3-U1*R4*R3+U2*R3*R4)/R1*(R2+R4)6.运放的典型应用•运放构成的比较器电路，也是整动放大器应用，当输入电压U1大于基准电压时，输出端电压接近正供电电压，它常用于伺服或保护电路中。6.运放的典型应用•运放构成的阻抗变换电路，它是运放构成的同相放大器，放大倍数A=1的特例，输出电压与输入电压相等，相位相同，具有极高的输入阻抗和较低的输出阻抗，也称为电压跟随器。6.运放的典型应用•运放构成的一阶有源滤波器，图A为低通滤波器，其传递函数为T＝－1/SRC,S=jw;图B为高通滤波器，其传递函数为T=-SRC;6.运放的典型应用•运放构成的二阶有源滤波器，图A为低通滤波器,图B为高通滤波器.6.运放的典型应用公司经典音频输入电路，运放为LF347,完成平衡到非平衡的转换，并衰减1/4。6.运放的典型应用•公司音频输出反向放大电路，运放为LM2211，单端转平衡输出，放大倍数为-30K/12.7K：6.运放的典型应用视频输出正向放大电路，运放选用AD8063；结语以上只是介绍了运放的特性、选型规则及典型应用，实际的选型细节和应用还有很多。THANKYOU！