电子设计创新训练基础第二章运算放大器应用

第二章运算放大器应用运算放大器是智能测控电子产品不可缺少的基本电路。根据实际仪器设备的功能与要求的不同，对放大器也有不同的要求，如增益的高低，失调的大小，频带的宽窄，输入阻抗的高低，供电范围的大小等等。而实际上，放大器的参数远不止这些，要选择合适的运算放大器，应该对它的主要指标有所了解。放大器的参数虽然有很多，但是放大器类型的选择取决于最关键指标。例如，如果为交流应用而选择一种高输入阻抗的放大器，那么它的失调电压及温漂指标可能就比偏置电流的重要性小的多，而它们与带宽相比则可能都不主要了；再如，如要测量一个高源内阻的微弱直流信号，则失调电压及其温漂与输入阻抗是最重要的指标。真实世界的运算放大器永远也达不到理想放大器的指标，因此对于不同的应用，人们设计出了很多种类的放大器芯片，我们可以根据实际需要来选择。本章节将以具体芯片为例对一些常用种类的运算放大器做一些简单的介绍，有的放大器具体应用比较复杂，请读者根据书中说明到产品的生产商的网站上参阅应用笔记。1常用运算放大器1.1通用双极型运算放大器集成运算放大器开始被广泛使用的时间是20世纪70年代末，最经典的通用工业标准运算放大器是LM741，它是一款双极型放大器。它当年在国内有多种仿制产品，常见的型号有F007和5G24，在仪器仪表设计中获得了大量应用，目前在一些低档场合也经常使用这种放大器，它的典型参数指标如下：输入失调电压：典型为1mV，最大5mV输入失调电压温漂：最大15µV/°C输入偏置电流：典型20nA，最大200nA输入阻抗：典型2MΩ，最小0.3MΩ共模输入电压：±13V共模抑制比：90db转换速率：0.5V/µs稳定时间：0.3µs电源电压范围：±5V~±22V电源电流：典型1.7mA，最大2.2mA这款运放采用8脚封装形式，典型的PDIP封装管脚引出顶视图参见图。它引出了调零端，具体是1、5脚，使用时它们接一个10KΩ以上的电位器，电位器中心抽头接负电源进行失调调零。实际上，目前几乎所有的8脚封装运放都与741引脚兼容。LM741最早是美国国家半导体公司的型号，现在许多厂家都生产它，如：CA741、HA1741等。LM741作为标准的工业放大器，占据了多年的应用统治地位，随着对测量水平的要求，出现了更高水平的双极型放大器，典型代表就是OP07。它使用正电源控制通过1、5脚调零。OP-07管脚封装见图，它的性能指标比741有很大幅度的提高，具体如下：输入失调电压：典型为60µV，最大150µV输入失调电压温漂：最大2.5µV/°C输入偏置电流：典型2nA，最大9nA输入阻抗：典型30MΩ，最小7MΩ共模输入电压：±14V共模抑制比：110db转换速率：0.3V/µs稳定时间：0.5µs电源电压范围：±3V~±18V目前有比OP07指标更高的OP27和OP37高指标放大器。随着运算放大器的广泛使用，出现了在一个芯片里封装有有多个放大器的产品，典型的双运放就是LM358。如图，它在一个8脚芯片里封装了两个放大器，没有引出调零端。它的特点是单电源工作，输入和输出都可以接近到地电位，同时它具有微功耗的特点。具体性能指标如下：输入失调电压：典型为3mV，最大6mV输入失调电压温漂：最大7µV/°C输入偏置电流：典型50nA，最大150nA共模输入电压：0~VCC-1.5V共模抑制比：80db转换速率：0.3V/µs稳定时间：0.3µs电源电压范围：3V~32V，可双电源供电电源电流：双运放典型1mA，最大2mALM358实际由三个系列产品组成，即：LM158、LM258和LM358，它们分别是军品级、工业品级和民品级别的产品。主要区别在于使用的温度范围上，军品为-55℃~125℃；工业品为-40℃~85℃；民品为0℃~70℃。由于358放大器的低功耗、单电源供电和廉价的特点，使它获得了广泛的应用，尤其在民用电子产品中至今仍有大量的应用。目前是极其低廉的普通运算放大器，价格低至几毛钱一片。还有一种常用的双极型放大器就是四运放LM324，如图，它在一个14脚芯片里封装了四个放大器，没有引出调零端。它的特点是单电源工作，输入和输出都可以接近到地电位，具体性能指标如下：输入失调电压：典型为3mV，最大7mV输入失调电压温漂：最大7µV/°C输入偏置电流：典型45nA，最大150nA输入阻抗：典型2MΩ，最小0.3MΩ共模输入电压：0~VCC-1.5V共模抑制比：80db转换速率：0.3V/µs稳定时间：0.5µs电源电压范围：3V~32V，可双电源供电电源电流：四个运放典型1.4mA，最大3mALM324实际也由三个系列产品组成，即：LM124、LM224和LM324。由于324放大器的集中封装、单电源供电和廉价的特点，使它在民用电子产品中有大量的应用。1.2通用J-FET型运算放大器双极型放大器由于使用电流发达器件做输入端，因此它的输入阻抗必然不会太大，在一些高阻信号源的应用中受到限制，例如检测压电器件的电荷量或者检测PH计的玻璃电极信号。这时，使用场效应管输入端的放大器就能够解决问题。早期典型的场效应管输入端的放大器是LF356，它管脚与741完全兼容，但使用正电源调零，具体性能指标如下：输入失调电压：典型为3mV，最大7mV输入失调电压温漂：最大5µV/°C输入偏置电流：典型20pA，最大100pA输入阻抗：1012MΩ共模输入电压：±12V共模抑制比：100db转换速率：12V/µs电源电压范围：±5V~±22V电源电流：典型5mA，最大7mA与741相比，它具有极高的输入阻抗，同时，从转换速度上看，它的带宽也比741宽。但由于它使用场效应管输入端，因此它的输入噪声水平要比双极型放大器高。常用的J-FET型运算放大器还有单运放CA3140、双运放LF353及四运放LF444等，它们性能类似。需要指出的是，几乎所有的双运放管脚都与LM358兼容，所有的四运放都与LM324管脚兼容。如果需要提高系统指标，使用高性能的运放可以直接在线路板上进行替换。1.3自校准精密运算放大器尽管象OP-27这样的精密放大器的性能已经很优秀了，但是对于一些要高内阻、小信号的放大，还是需要更高性能的运放的。ICL7650S就是一款性能更高的放大器，它采用斩波自稳零技术，使失调电压和失调电压温漂都非常小，同时使用场效应输入，输入阻抗极高。具体性能指标如下：输入失调电压：典型为1µV，最大8µV输入失调电压温漂：0.02µV/°C输入偏置电流：典型5pA，最大20pA输入阻抗：1012MΩ共模输入电压：-5.2V~4V共模抑制比：140db转换速率：2.5V/µs稳定时间：0.2µs电源电压范围：±2.5V~±16V电源电流：典型2mA，最大3mA它比741类运放的结构复杂。为实现自动稳定零点的目的，它设计了一套斩波分时操作机构，使用两个外接的高品质电容，实现系统零点的自动平衡补偿，因此获得了比较高的性能。图中，芯片封装了14个引脚，除了电源、同相端和反相端外，还有两个存储电容引脚CEXTA、CEXTB和它们的公共端CRETN，使用时，必须连接两只高品质的0.1μF电容。其它的引脚则主要是同步功能控制端，一般不使用。1.4轨到轨输出运算放大器RailtoRail的中文含义是轨到轨输出的意思。普通的运算放大器的输出是达不到电源值附近的，一般要低于电源1.5V左右，对于目前低压电池供电的系统而言，需要运算放大器具有低压单电源工作的能力，同时还要求它在有限的电源范围内具有尽可能大的输出摆幅。需求促进了半导体工艺的发展，目前已经有大量的运算放大器具有RailtoRail的能力。上面已经提到TLC4501的就具有RailtoRail输出能力，常用的此种放大器有许多，典型的如：TLC2252和TLC2254，它们分别是单运放和四运放，管脚与LM358及LM324兼容。TLC2252是德州仪器公司先进的LinCMOSTM工艺制造的双路运算放大器，它具有满电源电压幅度输出特性，即RailtoRail输出能力。同时，它具有比现有的CMOS运算放大器更好的失调电压指标及功耗指标，TLC2252的性能指标如下：输入失调电压：典型200µV，最大1500µV输入失调电压温漂：最大0.5µV/°C输入偏置电流：典型1pA输入阻抗：1012Ω共模输入电压：0~4V共模抑制比：83db转换速率：0.12V/µs电源电压范围：4.4V~16V，可单、双电源应用输出能力：RailtoRail满幅输出电源电流：典型单运放通道35µA1.5低压单电源供电微功耗放大器对于很多电池供电的仪表，如：智能煤气表、水表，以及手持电子设备，如数字万用表等，它们都严格要求系统的低功耗特性，为达到不更换电池而能够长时间连续工作的目的，要求整机电流保持在几十个µA的水平上。因此，对于这些设备中使用的放大器，就要严格要求它们的供电指标，首先要能够低电压单电源供电，工作电流要非常低，最好能够作到RailtoRail输出。TI公司的TLV2211就是一款低压单电源供电微功耗放大器，为减少空间占用，采用了5脚表面贴装的封装形式，具体封装见图，性能指标如下：输入失调电压：典型0.47mV，最大3mV输入失调电压温漂：最大1µV/°C输入偏置电流：典型1pA输入阻抗：1012Ω共模输入电压：3V供电时，-0.3V~2.2V共模抑制比：83db转换速率：0.052V/µs电源电压范围：2.7V~10V，可单、双电源应用输出能力：RailtoRail满幅输出电源电流：典型单运放通道13µATLV2211最低能够工作在2.7V电压下，如果希望系统在2V时，模拟电路还能够工作，这时可以选择TLV2341、TLV2322或者TLV2324，它们分别是单、双及4运放。1.6仪表放大器由于现场存在各种干扰，尤其是共模干扰比较严重，所以普通单端运算放大器无法对信号进行准确的放大。设计者经常采用典型的三运放结构来设计高输入阻抗和高共模抑制比的差动输入放大器，这样做电路比较复杂，目前已经有许多成品的差动输入放大器，它们的内部结构就是典型的三运放结构，可以直接使用。具体的芯片型号有INA118、AD623和AD627等。它们作为精度高、频带宽、共模抑制比高的新型仪表放大器很适合用来完成信号放大的任务，如图，是INA118的芯片引脚图，以下以INA118为例说明它们的芯片引脚和功能。最大偏移电压：50μV最大温漂：0.5μV/℃图1-9LOG102顶视图最大输入基极电流：5nA最小共模抑制比：110dB输入过压保护电压：±40V电源电压：±1.35V～±18V，可以单电源工作电源电流：350μA带宽：单位增益时为800kHz增益设置范围：1~1000稳定时间：单位增益时为25μs过载恢复时间：20μs工作温度范围：－40℃～85℃使用时，在1、8脚之间接入一只反馈电阻Rg来调整增益，具体Rg=50kΩ/(G－1)。REF端可以接入一个参考电位，能够使输出平移，在单电源的应用中非常有用，如果输出以地为基准，则此脚接地。1.6可控增益放大器AD603是一款ADI公司的压控可变增益高速放大器，使用模拟电压进行线性的对数增益控制。广泛应用于RF/IF的AGC（自动增益控制）放大器、视频增益控制、A/D转换器量程扩展及信号测量等领域。它采用8脚SOIC或者PDIP封装，封装图见图1-12，主要特点有：在90MHz带宽下，在–11dB~+31dB范围可控增益；在9MHz带宽下，在–1dB~+31dB范围可控增益；在30MHz带宽下，在–1dB~+41dB范围可控增益。控制电压为差动方式，具体应用请读者参考ADI网站的应用笔记。2典型运算放大器应用电路2.1运算放大器的基本应用电路如图，基本的运算放大器电路有反相放大、同相放大和差动放大三种形式，运放所有其它复杂应用都是由这三种方式组合而来。图（a）是基本的反相放大器，输入输出关系：VO=-（R2/R1）*VI，特点是输出与输入反相，输入阻抗较低，具体为：R2//R1。这里的R3是输入电流平衡电阻，原则上取R3=R1//R2。如果放大器本身输入