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什么是运算放大器

电力电子 | 发布时间:2017-11-05 | 人气: | #评论# |本文关键字:运放,运算放大器
摘要:运算放大器简称运放。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”,此名称一直延续至今。运

运算放大器简称运放。在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”,此名称一直延续至今。运放是一个从功能的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单片的形式存在。现今运放的种类繁多,广泛应用于几乎所有的行业当中。

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运放(operational amplifier,简称OPA)能对信号进行数学运算的放大电路。它曾是模拟计算机的基础部件,因而得名。采用集成电路工艺制做的运算放大器,除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外,还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点,因而在有源滤波器、开关电容电路、数-模和模-数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换,以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。

直流放大电路在工业技术领域中,特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中,首先要把被控制的非电量(如温度、转速、压力、流量、照度等)用传感器转换为电信号,再与给定量比较,得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构,所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度,再去推动执行机构或送到仪表中去显示,从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数是变化比较缓慢的直流信号,分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件,不能有效地耦合这样的信号,所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算(实现加减乘除比例微分积分等)单元,是模拟电子计算机的基本组成部件,由真空电子管组成。所用的运算放大器,是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路,集成在一块微小的硅片上。
按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。

通用型

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mA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)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。

精密运放

精密运算放大器一般指失调电压低于1mV的运放并同时强调失调电压随温度的变化漂移值要小于100V。对于直流输入信号,VOS和它的温漂足够小就行了,但对于交流输入信号,我们还必须考虑运放的输入电压噪声和输入电流噪声,在很多应用情况下输入电压噪[1] 声和输入电流噪声显得更为重要一些。同时,很多应用设计中需要使用可编程高精密运算放大器(PVGA),在信号链中对放大倍数进行动态调整。

在用于实现许多高端传感器的输入处理设计时,如何选择最佳的精密运算放大器却存在一些挑战。

在传感器类型和(或)其使用环境带来许多特别要求时,例如超低功耗、低噪声、零漂移、轨到轨输入及输出、可靠的热稳定性和对数以千计读数和(或)在恶劣工作条件下提供一致性能的可再现性,运算放大器的选择就会变得特别困难。

在基于传感器的复杂应用中,设计者需要进行多方面考虑,以便获得规格与性能最佳组合的精密运算放大器,同时还需要考虑成本。具体而言,斩波稳定型运算放大器(零漂移放大器)非常适用于要求超低失调电压以及零漂移的应用。斩波运算放大器通过持续运行在芯片上实现的校准机制来达到高DC精度。

精密运算放大电路与普通运算放大电路的区别:

普通运算放大电路构成一般类似,精密放大电路会多一些电源去耦,滤波等特殊设计的电路。主要区别在于运算放大器上,精密运算放大器的性能比一般运放好很多,比如开环放大倍数更大,CMRR更大,速度比较慢,GBW,SR一般比较小。失调电压或失调电流比较小,温度漂移小,噪声低等等。好的精密运放的性能远不是一般运算放大器可以比得,一般运放的失调往往是几个mV,而精密运放可以小到1uV的水平。要放大微小的信号,必须用精密运放,用了一般的运放,它自身都会带入很大的干扰。要通过外围电路改善,小幅或者微调可以,但无法大幅度或者彻底改变。

将来随着各种新型传感器的推出,人们对电子设备性能要求越来越高,大量自动化设备投入使用,低失调、低噪声的高精密放大器将会在医疗电子、测量仪表、汽车电子、工业自动化设备等领域大显身手。高精密运算放大器的性能指标将与时俱进,向着更低电压电流噪声更低的失调电压、更低的失调电压温漂、更大带宽、更小功耗、更高电压方向不断创新,产品不断推陈出新,满足客户不断提高的设计需求。

最常用的精密运放就是OP07,以及它的家族,OP27,OP37,OP177,OPA2333。其他的还有很多,比如美国AD公司的产品,很多都是OPA带头的。

高阻型

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>(109~1012)W,IIB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LF356、LF355、LF347(四运放)及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。

低温漂型

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。常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。

高速型

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转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG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、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

低功耗型

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50~250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。

高压大功率型

运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。


责任编辑:电气自动化网

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