运算放大器应用设计的几个技巧
一、如何实现微弱信号放大？
传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。
另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“1sword”建议：
1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。
2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。
3)对于传感器输出的nA?级，选择输入电流pA?级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。
4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。
二、运算放大器的偏置设置
在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR比较低。
三、如何解决运算放大器的零漂问题？
有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问题？
对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂：1)反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。
网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑！
而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解决：
1)采用开关电容电路的技巧，使用CDS采样方式可以有效消除offset电压；2)采用同步检测电路结构，可以有效消除offset电压。
几类关键运算放大器的基本特性与设计考虑要素
是典型的模拟集成电路。可以说有了运算放大器才算有了模拟集成电路、其历史也就是模拟集成电路的历史。运算放大器的设计开发不像其外特性那样直观明了；外特性有细微差异的运算放大器内部差异之巨大也往往出乎意料之外；投入资源开发有细微差异的运放是工程需求、工程需求背后的商业利益追求、以及知识产权创新的需要。这从圣邦微电子公司近年开发的运放产品中可以一窥端倪。
微功耗运算放大器
大幅度地减少功耗对应用设计带来的影响不止是节能。如果平均功率需要从mA量级下降到了μA量级甚至μA以下，则供电方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能实现的应用得以实现。例如图1所示的电源电路可以驱动一个以微功耗运算放大器为检测部分、配合储能和间歇执行部分的电路，利用单条电源线的控制负载。一些电源开关盒中实际上只是一条线路，对这些开关升级，例如升级成遥控调光或者接近开关时需要为控制电路供电。负载没有接通时，通过允许流过微量电流供电。如果这个电流较大，会导致负载部分启动或间歇启动；对于轻负载，例如3~5W发光二极管灯尤为显著。实际工程案例利用SGM8041的微功耗特性解决了这一问题。
图1: 利用微功耗运放改变供电电路。
图1所示的电路设计工作在交流电的电压范围内，但其元件中只有R(以及执行部件和电流互感器T的原副边之间)承受较高电压，其余元件耐压均以参考齐纳管的击穿电压为参考。电流互感器T用于在较大功率负载的应用，在接通期间给控制电路供电；如果负载较小，接通期间也可以通过延迟开启角度取得一定的电压差给控制电路供电。
低功耗产品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041；后者静态电流仅600nA。SGM8141/2为更为极端的微功耗运算器产品，其静态电流仅为350nA，Voffset则控制在最大不超过2.5mV。利用SGM8141/2可以在系统深度休眠时提供连续参数监测，用于唤醒或者异常触发。也用于信号自供电或利用能量收集(例如震动、热和光)的设计中。
微功耗运算放大器设计的挑战在于，如何利用尽可能少的电路实现在全输入范围内保持小而稳定的失调电压。微功耗运放无法利用复杂电路对温度变化补偿和严格根据共模锁定输入节的偏置，失调补偿依赖于参数补偿设计和精细的版图设计。图2是圣邦微功耗运放产品的失调电压分布统计。
图2: 圣邦微功耗运放的失调电压分布。
比较器是常态处于类饱和态的模拟集成电路，仅在比较阈值附近一个微小的区间表现为线性。无论在高速场合还是低速场合，对比较器的需要常被忽视和误解。现实中不乏把放大器当作比较器使用的成功工程案例，真实地反映了对比较器的需求的变化。比较器无论是参数优化还是实际结构实现都跟运算放大器不同；比较器在输出翻转前或者后的传输增益要小，以防止自激；触发翻转后的上升或者下降沿不受前级的爬升率的影响。
传统工程上对比较器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡过逻辑器件的逻辑模糊区、精确幅度甄别和抑制在甄别阈值附近的不定状态输出等。主要因为ADC的普及使用和逻辑I/O的设计改进；无论是在逻辑I/O电路中还是利用运放的轻度正反馈滞回，都可以有效避免逻辑不确定性，而定时抖动特性一直不是比较器的强项。
圣邦的设计改进重点在于减少比较器的耗电。微功耗运放用作比较器时在饱和状态工作电流有所增加，退出饱和需要较长时间，比较器则没有这些问题。如图3所示，SGM8701系列微功耗的工作电流稳定在300nA附近的极低水平。
图3: SGM8701 系列比较器工作电流。
极低功耗比较器可以用于需要潜伏或深度睡眠状态的应用，例如在待机期间持续监测电池电压和连续监视等待唤醒呼叫等。
无交越失真运算放大器
与BTL和C类放大器的交越失真概念不同，无交越失真运放是相对于有输入结构相关交越失真的满幅输入CMOS运放提出的。CMOS运算放大器具有输入阻抗高、工作电流低、易实现满幅输出和不需要区别单双电源设计等突出优点，但是其输入部分栅极与源极之间需要较大压差，共模输入电压范围小，限制了低工作电压使用。如图4所示的互补双差分对结构被用于CMOS运放以允许满幅输入。这种互补双差分对结构保证无论共模电压是接近正电源，还是接近负电源，至少有一个差分对可以工作。工程现实无法保证这两个差分对有完全一致的失调电压。输入共模电压变化使互补双差分对交替工作引起输入相关交越失真。
图4: 引起交越失真的互补双差分对输入结构。
与输出图腾柱结构的输出交替引起的交越失真不同，输入相关的交越失真无法通过提高开环增益予以改善。SGM8942通过对输入部分偏置结构的改变避免了使用双互补差分对结构，是一种新型的无交越失真满幅输入/输出型运算放大器。
输入相关交越失真仅发生在同相放大应用，如需要高输入阻抗放大器的驻极体输出缓冲、压电换能器的输出缓冲、PT/CT 电量传感器输出的缓冲和电位差计输出缓冲等。交越失真生成寄生频谱，或产生虚假微扰动。SGM8942成功地应用于微弧检测、瞬时功率因数测量和电化学扩散电势检测等对微扰敏感的应用中。
高精度运算放大器
从本征特性看，CMOSFET的稳定性和噪声特性，尤其是1/f噪声，以及响应速度均不及双极型晶体管；但其高输入阻抗、低偏置电流、低耗电和结构紧凑等优势双极型器件难以企及。CMOS产品出现以来，改善其噪声、稳定性和速度的努力从来没有中断过。除了少数特别的应用场合，CMOS运放已取代了双极型运放成为主力。例如SGM8551系列高精度运放可保证小于20μV的失调电压和小于20nV/°的温漂，各方面都超过了传统的高精度运放，例如OP07，以及同类的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的过程校验仪表。
高精度运算放大器的对应用工程意义明了、毋庸赘叙，其设计工程的挑战则比较特别；高精度运放设计是专利集中的领域，很多电路方案和布线方案受到保护；新设计要在保护和利用的原则下创新。圣邦的高精度运放产品设计是业内最新数据模型和部分创新的结合。
与在高精度测量放大系统中方案灵活多变不同，例如相关双采样方案、斩波调制放大方案和斩波跟踪方案等等，高精度运算放大器的实现方案局限于精密跟踪补偿和交替自稳零两类基础方案。
参考图5，交替自稳零方案的原理与斩波跟踪放大器类似。信号通道上的第一级被分为两个几何分布完全一致的两组；除了切换瞬间，总有一组在通过信号，保证了信号是被近似连续传送和放大的；自稳零校准则是交替进行的。不在传递信号的一组的失调被馈入调零通道，调节偏置使失调为零。
图5: 交替自稳零的原理示意图。
高电压运算放大器
在工业现场或者类似恶劣条件的场合，采用可直接工作在较高电压的运放有利于提高可用率和执行力。只是提高工作电压对设计容限的改进是有限的；事实上大多数早期的双极型运放可工作在较高电压下，但不能在低电压下工作。现代意义下的高压运放需要高适应性，包括大动态工作电压范围，满幅输入/输出，抗高共模/差模和具备短期过压宽限。以SGM8291为例，其工作电压范围是4.5V~36V，共模和差模均输入允许到电源电压，电源短期过压可超过40V。
现代意义下的高压运放是一个较新的运放品种，例如TI也只是在近期开始推广其OPA171系列的高压运放。这些高压运放全部具有大动态、低电流的特点，以JFET或CMOS作为输入，普遍采用BCD混合结构；其特性优势是双极型高
压运放无法抗类比的。高压运放的结构与低压运放的结构不同，如输入节要在大得多的共模电压范围内保持稳定的失调电压，输出节要承受大的栅-漏(或基-集)电压。SGM8291在全电压范围内失调不超过0.9mV并允许输出长期短路。
图6用来解释如何实现这些特性所需要的结构差异的一个示意方案(此示意图并不暗示圣邦使用了这一结构)。其中
CC1~CC3恒流源需要利用双极型的本征恒流特性稳定输入差分对的偏置；A采用CMOS取得高增益；T1、T2采用DMOS 实现高耐压。低压运放不需要这些组合。
图6: 解释高压运放结构差异的示意图。
开发高压运放、完善工业产品链的社会意义大于开发者的直接经济意义。尽管高压运放对工业应用来讲是不可或缺的，但实际上，其应用空间被低压结构系统不断挤占。其一是因为在大多系统中信号最终被馈送到或者最初来自低压的数字处理电路，低压系统已具备系统级高设计容限；其二是外围电路改进可利用低压电路取得类似高压器件的容限，分享低压元件选择性大、供应量好和价格低的红利。但是有些应用场景注定需要高压运放，图7示意了在输入侧和输出侧适合使用高压运放的若干情况。
图7: 若干需要高压运放的情况。
本文小结
半导体集成运算放大器从60年代开发面市，历经半百沧桑到今天还能见到不断有新的产品推出，见证了人类对自然深入探究和提升自我的不断追求。近些年国内出现了若干家像圣邦一样以模拟集成电路开发推广为主要业务的新半导体公司，对拓展应用和推动市场竞争做出贡献；本文介绍的圣邦公司产品的特性均可与已知高性能产品的规格齐平。在成熟的应用中，包括运放在内模拟电路被越来越多地集成到了单片系统中，同时随着认识的深入和处理能力的加强、也不断有新的要求需要新的产品来满足。
运算放大器之开环增益
大多数电压反馈(VFB)型运算放大器的开环电压增益(通常称为A VOL，有时简称A V)都很高。常见值从100000到1000000，高精度器件则为该数值的10至100倍。有些快速运算放大器的开环增益要低得多，但是几千以下的增益不适合高精度应用。此外还要注意，开环增益对温度变化并不高度稳定，同一类型的不同器件也会存在极大差异，因此，增益值必须很高。
电压反馈运算放大器采用电压输入/电压输出方式工作，其开环增益为无量纲比，所以不需要单位。但是，数值较小时，为方便起见，数据手册会以V/mV或V/μV代替V/V表示增益，电压增益也可以dB形式表示，换算关系为dB = 20×logA VOL。因此，1V/μV的开环增益相当于120 dB，以此类推。
电流反馈(CFB)型运算放大器采用电流输入和电压输出，因此，其开环跨导增益以V/A或Ω(或kΩ、MΩ)表示。增益值通常介于几百kΩ与几十MΩ之间。
根据基本反馈原理，为了保持精度，精密放大器的直流开环增益A VOL必须很高。通过检查闭环增益公式就能发现这点，该公式包含由有限增益引起的误差。包含有限增益误差的闭环增益公式如下：
其中，β是反馈环路衰减，也称反馈因子(反馈网络的电压衰减)。噪声增益等于1/β，因此，该公式还可以其它形式表示。将公式右端两项合并，把NG(噪声增益)代入，可得到
如下公式：
公式1和2是等效的，两者均可使用。如前所述，噪声增益(NG)只是从与运算放大器输入串联的小电压源获得的增益，是同相模式下的理想放大器信号增益。如果公式1和2中的
A VOL无限大，闭环增益就和噪声增益1/β完全相等。
但是，由于NG << A VOL且A VOL为有限值，因此存在闭环增益误差，估算公式如下：
注意，公式3中的百分比形式增益误差直接与噪声增益成比例，因此，有限A VOL对低增益的影响较小。一些示例可以说明上述增益关系的要点。
开环增益不确定性
下图1中，第一个示例中噪声增益为1000，可以看出，开环增益为200万时，闭环增益误差约为0.05%。注意，若温度、输出负载和电压变化时开环增益保持不变，0.05%的增益误差很容易通过校准从测量结果中去除，这样就不存在整体系统增益误差。但是，若开环增益改变，由此产生的闭环增益也会改变。这就导致了增益不确定性。在第二个示例中，A VOL减少至30万，产生的增益误差为0.33%。这种情况会使闭环增益中产生0.28%的增益不确定性。大多数应用中，使用良好的放大器时，电路的增益电阻是绝对增益误差的最大来源，但是应注意，增益不确定性不能通过校准去除。
图1：开环增益变化导致闭环增益不确定性
输出电平和输出负载的变化是导致运算放大器开环增益变化的最常见原因。开环增益中信号电平的变化会导致闭环增益传递函数的非线性，也无法在系统校准过程中去除。大多数运算放大器都有固定负载，因此负载的A VOL变化一般不重要。但是，A VOL对输出信号电平的灵敏度在负载电流较高时可能会上升。
非线性的严重程度在不同类型的器件中变化很大，数据手册中一般不会明确规定。但是通常会规定最小A VOL，选择高
A VOL的运算放大器可以将增益非线性误差的发生概率降至最低。增益非线性的来源有很多，具体取决于运算放大器的设计。其中一个常见来源是热反馈(例如从热输出级反馈至输入级)。如果温度变化是非线性误差的唯一原因，减小输出负载可能会有所帮助。为了验证这一点，需要在空载条件下测量非线性，然后与负载条件下进行比较。
对于大多数IC(集成电路)，数据手册上都会列出最大电源电流，但人们常常对其测量条件视而不见。对于某些轨到轨输出运算放大器，某些操作可能会导致电源电流比规定的最大值高出2到10倍。本文探讨在确定是否应当关注最大电源电流时，需要考虑哪些方面；本文的讨论对双极性和CMOS运算放大器均适用。
几乎所有IC的数据手册都会提供保证最大电源电流值，但该值并不总是能够用来计算最差情况的功耗。众所周知，CMOS 数字器件的电源电流随着时钟频率的提高而提高，但模拟器件，特别是运算放大器会如何呢？可以使用电源电流加上供应给负载的电流作为最大值吗？(提示：并不尽然.....)
运算放大器以闭环形式工作，而比较器则以开环形式工作。虽然这一原则十分简单并且显而易见，但我们很少思考违反原则会带来什么后果。出现相对较多的问题是将运算放大器用作比较器，因为许多运算放大器的失调和噪声均非常低，常常会诱使我们将其用作精密比较器。
当运算放大器采用±15V电源供电，并且输入信号在±10V范围内时，将其用作比较器有时是可行的，特别是如果增加一些正迟滞来避免振荡并加快不确定区域的过渡。但随着轨到轨输出运算放大器的出现，问题开始变得严重。参考文献1对输入和输出级做了很好的阐释。
历史回顾
在数字世界，NAND门、NOR门和其它数字功能的MIL/ANSI符号截然不同。但在模拟世界，不知是何原因，运算放大器和比较器均显示为一个带两路输入和一路输出的三角形，“这种表示方法影响深远”(参考文献2)。运算放大器用作比较器已有很长时间，关于比较器和用作比较器的运算放大器，已有许多论文做过探讨：
* 早在1967年，当推出LM101A时，其数据手册显示的应用电路中就是用作比较器。
* MT-083(参考文献3)对比较器进行了比较全面的综述，包括放大器的性能指标和为何需要迟滞，但并未讨论将运算放大器用作比较器的情况。
* Sylvan(参考文献4)讨论了运算放大器用作比较器时的一般考虑因素，但并未特别讨论轨到轨输出运算放大器。他确实提醒过大家应当注意输入相对于共模输入电压的差异，并涉及到差模电压的差别。
* Bryant(参考文献5)开宗明义：“然而，关于将运算放大器用作比较器的最佳建议非常简单--不要这样做！”，然后说明了多个需要考虑的问题，最后总结道：在某些应用中，这可能是一个正确的设计决策。Kester(参考文献6)同样反对将运算放大器用作比较器，但也勉强承认，有些情况下这可能行得通。
* Moghimi(参考文献7)讨论了运算放大器与比较器的区别，警告说“魔鬼就藏在细节中”，并且非常清楚地解释了输入保护二极管、反相和运放的多个其它特性，但他认为，小心处理这些细节还是可以有效解决的。他确实简要提及了轨到轨输出运算放大器，但未谈到电源电流。
随着电源电压减小，用来保持较大电压摆幅的方法之一是将传统输出级变为“轨到轨”输出级。图1所示为一个传统输出级，可以称之为非轨到轨输出级，其输出只能达到正电源的1V范围内。
图1：传统双极性输出级
为了更接近供电轨，输出级晶体管变为共发射极配置，如图2所示。
图2：双极性轨到轨输出
“轨到轨”输出并非真正的“轨到轨”，但是可以达到电源电压的50-100 mV范围内，具体取决于输出晶体管的大小和负载电流。
比较这两个输出级，有三点值得特别注意：
* 第一，传统输出级具有电流增益、小于1的电压增益和非常低的输出阻抗。
* 第二，轨到轨输出级是共发射极输出级，因而具有电压增益，约为gm×RL。RL由外部负载和晶体管的输出阻抗(RO)组成。当输出与供电轨相差数百毫伏以上时，RO非常大，通常可以忽略不计，但如果输出接近供电轨，则不能忽略。
* 第三，可以将输出看作传统的双晶体管比例式电流镜，这是问题的症结所在。
在正常工作中，中间级会拉低基极-集电极节点，将更多电流驱动到负载，从而提高电压。在负反馈下，随着输出电压升高，输入级和中间级将降低驱动电流，直到闭环平衡。
当用作比较器时，中间级会拉低基极-集电极节点，试图封闭环路，但由于没有反馈，它将越拉越厉害。这一额外电流找到一条路径从正电源引脚流到负电源引脚，以额外电源电流的形式出现。驱动输出级的方法有多种，而且空穴和电子的迁移率存在差异，因此电源电流的提高通常不对称。
动手试验
为了量化这一效应，笔者从ADI公司及三家主要模拟器件竞争厂商各获得了一个双极性运算放大器和一个CMOS运算放大器。为了进行比较，试验中还包括历史悠久的双通道运算放大器LM358(非轨到轨输出)和双通道比较器LM393。使用三个电路，测量与电源电压呈函数关系的电源电流。
图3是用于测量电源电流的经典方法。电流表按图示进行连接，以便剔除阻性分压器的电源电流。
图3：测量电源电流
使用两块电流表，以便确认电源电流是准确的，并且不包括通过输入引脚的任何无关电流路径。电阻值无关紧要，所选值只需确保运算放大器的输入在数据手册技术规格表规定的输入电压范围(IVR)内。
为了测量开环下的电源电流，例如作为比较器工作时，使用图4和图5所示电路。某些低噪声双极性运放的输入端之间具有二极管，用以保护差分输入对，因此“绝对最大额定值”表中规定的最大差分电压通常是±0.7 V。如果有内部串联电阻，其值通常在500 ?到2 k?范围内。
“绝对最大额定值”表可能将最大差分电压规定为正负电源电压，但这并不意味着器件能够在这种条件下工作。应当参考器件的简化内部原理图，如果没有提供，可以询问制造商。
在这两种配置中，电阻值的选择比前一种情况略显重要。电阻值应足够低，使得差分输入电压至少为0.5V，以保证输出被尽力驱动到供电轨，同时应足够高，不至于损坏内部二极管。所选值应将输入电流限制在1mA以下。
图4：比较器、低电平输出
图5：比较器、高电平输出表1列出了以下内容：
1) 数据手册的最大电源电流规格
2) 在以下条件下测得的电源电流：运算放大器连接为跟随器，Vin为两个电源引脚电压的中间电压(图3)
3) 输出驱动到低电平时的电源电流(图4)
4) 输出驱动到高电平时的电源电流(图5)
表1 传统运算放大器和比较器
表1显示，传统器件LM358和LM393的表现一如预期。
对于双极性轨到轨输出运算放大器，其电源电流均大于一个或两个比较器电路中的“最大”运放电源电流。驱动输出级的方法有多种，将输出驱动到一个或另一个供电轨时，某些方法会导致电源电流升高。(由于不熟悉其它制造商的内部原理图，笔者无法评论该现象。)
对于OP284，数据手册给出了第二级和输出级的原理示意图，参见图6。
图6：OP284第二级和输出级原理示意图
如果Vout被Q5/Q3/Q4驱动到高电平，电源电流将是R4和R6值的函数。这些值的选择意图是最大程度地提高运放性能并减小芯片面积，而不是为比较器考虑。当Vout被Q6/R1/Q1驱动到低电平时，电源电流将由R1决定。同样，R1、I1等元件的值是针对运放性能来选择，而不是针对比较器性能。
CMOS轨到轨运算放大器
CMOS运算放大器有一个值得注意的行为。某些情况下，当驱动到供电轨时，电源电流实际上会下降。CMOS运算放大器的输出级由共源极PMOS和NMOS晶体管组成，增益在输出级中获得。增益为gm×RL，为了获得合理的跨导值，驱动电路将静态电流设置为某个值。
当输出被驱动到供电轨时，驱动电路会降低互补晶体管上的驱动电流。根据上方晶体管到下方晶体管的传递特性，电流实际上会减小。注意，所选四个CMOS运算放大器的行为存在很大差异。
最后，为了减小芯片尺寸，从而降低成本，两个运算放大器可能会共享某些电路，如偏置电路和相关的启动电路等。正如前面所说的(参考文献8)，如果一个运算放大器超出正常工作范围，引起偏置电路失灵，则另一个运算放大器也会失灵。
在电池供电的系统中，或者使用低电流串联调节器时，应当考虑额外电源电流。电池使用寿命可能比计算结果短，调节器可能无法在所有条件下启动，特别是在不同温度下。
提示
* 对于新设计，最简单的解决办法是“不要将运算放大器用作比较器”。如果必须或无意中将运算放大器用作比较器，那么：
* 检查数据手册，看制造商是否提供了有关用作比较器的信息。某些制造商会提供此信息(参考文献9和参考文献10)。
* 如果没有相关信息，询问制造商是否可以提供。
* 如果制造商无法提供，请使用多个日期代码的产品来对上述电路自行测量，增加50%的安全系数。
结束语
当用作比较器时，轨到轨输出运算放大器具有一些独特的性质。需要比较器功能时，延长电池寿命和提高性能的最佳办法是使用低成本比较器，将任何已用的运算放大器部分连接为跟随器，同相输入端连接到运放输入电压范围内的一个稳定电压，或者使用单通道和双通道产品代替四通道产品。
电源电流可能会大大超过数据手册规定的“最大值”。在精心考虑的条件下，未使用的运算放大器可以用作比较器，但适当地混合使用运算放大器和比较器可以降低电源电流，并获得明确定义的性能。
运算放大器输出驱动能力的确定
在电路中选择运算放大器(运放)来实现某一特定功能时，最具挑战性的选择标准之一是输出电流或负载驱动能力。运放的大多数性能参数通常都会在数据手册、性能图或应用指南中明确地给出。设计者须根据输出电流并同时参考运放的其他各类参数，以满足数据手册中所规定的产品性能。不同半导体制造商所提供的器件之间，甚至同一家制造商所提供的不同器件之间的输出电流都存在很大区别，这使得运放的设计和应用变得更加复杂。本文将通过一些实例讲解如何根据运放的性能参数对所需进行设计的电路的驱动能力进行评估，从而帮助设计者确保自己所选择的产品，在所有情况下都具有足够的负载驱动能力。
哪些因素影响驱动能力
输出驱动能力是一系列内部和外部设定值或条件的函数。输出级的偏置电流、驱动级、结构和工艺都属于内部因素。一旦选择了一种器件来实现某一特定的功能，设计者就无法再改变这些影响输出驱动能力的内部条件。大多数低功耗运放的输出驱动能力较差，其中一个原因就是它们的输出级的偏置电流较小。另一方面，高速运放通常具有较高的驱动能力，可满足高速电路的低阻要求。高速运放通常具有较高的电源工作电流，这也会提高输出驱动能力。
传统上，集成化PNP级比NPN晶体管的性能要差。在这样的工艺下，PNP输出晶体管与NPN相比，越低的β值，意味着输出驱动能力会不平衡。满摆幅输出的运放通常会将晶体管的集电极作为输出管脚，性能较差的PNP管会导致提供源电流(source current)的能力比提供阱电流(sink current)的能力差。对于非满摆幅器件，情况恰好相反，由于大多数器件使用PNP晶体管的发射极输出，大大地影响了阱电流特性，因此它们输出阱电流的能力较差。而且，当估计器件的输出电流能力时，器件之间的性能波动也应考虑在内。因此设计者在基于"典型的"数据手册规范选择器件的同时，还必须考虑"限值"和"最小"规范，以确保所使用的每个器件在生产时都具有足够的驱动能力。
除上面所列的内部因素之外，一些外部因素也会影响驱动能力。其中一些能够被控制，以优化输出驱动能力，而其余的就很难控制。下面列出了影响输出驱动能力的外部因素：相对于相应电源电压的输出电压余量(相对于电源电压的差值)；输入过驱动电压；总电源电压；直流与交流耦合负载；结温。
输出驱动能力通常以输出短路电流的形式给出。此时，制造商指定当输出接地(在单电源供电的情况下为1/2电源电压，称作"V s/2")时所能提供的电流值。制造商可能会提供两个数值，一个代表源电流(通常前面会有"+")，另一个代表阱电流(通常前面会有"-")。在负载上电压摆幅很小的应用中，输出级驱动器相对于电源电压(源电流为V+，漏电流为V-)会有很大的电压差，此时用户能够使用这一数据来有效地预测此运放的性能。试想运放带一个很大负载并且该负载被一个接近地(或在单电源情况下为V s/2)的电压驱动的情况。如果放大级的负载是逐步变化的，能向负载提供的电流将与运放数据手册中"输出短路电流"所给出的电流值一致。一旦输出开始随之改变，将发生两个情况：运放的输出电压余量减小；运放的输入过驱动电压减小。
由于前一个原因所能提供的输出电流将减小，这还与运放的设计有关，如后者中所述，过驱动电压的减小也会引起输出电流的减小。
另一种更有用的确定电流能力的方法，是使用输出电流和输出电压图。图1显示了美国国家半导体公司的LMH66?2的输出电流和输出电压图。对于大多数器件，通常会对源电流(图1a)和阱电流(图1b)这两种情况分别给出一张图。
图1：LMH66?2的输出特征。
使用这种图，就能够估算出对于给定的输出摆幅运放所能提供的电流。这些图由半导体制造商提供，用来显示放大器的输出电流能力与输出电压之间的关系。
请注意，在图1中，描述了"来自V+的V out"与输出源电流的关系，以及"来自V-的V out"与输出阱电流的关系。用这种方法来表示数据的原因之一是，和输出电压相对于地的表示方法相比，它能被更容易地应用于单电源或双电源操作。另一个原因是由于电压余量比总的电源电压对于输出电流的影响要大得多，因此对于任意的电源电压，即使在数据手册上找不到精确对应的条件，这种数据手册示方法也能使设计者通过一组最接近的曲线来进行粗略的计算。
图1能够用来预测一个给定负载上的电压摆幅。如果坐标轴是线性的，设计者只需要在图1的特征曲线上加上一条负载曲线，通过这两条曲线的交点就能确定电压摆幅。但如图所示，很多情况下，尤其当运放是满摆幅输出时，两条坐标轴都使用对数坐标，以使得在输出电流很小、输出只有几毫伏的情况下，曲线也能有较好的分辨率。在对数坐标下，负载曲线不再是一条简单的直线，将不容易画出。那么如何才能预测一个给定负载的输出摆幅呢？
如果设计师愿意花些时间在器件性能和外部电路要求之间反复进行摆幅预测，会得到一个十分精确的结果。这里，我将利用一些实例说明如何进行这种预测。
图2：预测给定负载上的输出电压摆幅的实例。
考虑如图2a的应用，其中LMH66?2被用来驱动一个R L=100Ω并与V s/2(1/2电源电压)相连的负载。假设此情况下LMH66?2的输出被偏置在V s/2或5V：
问题是设计师能够使用图1中所示的LMH66?2的数据来估计可能的最大输出摆幅吗？答案是肯定的。
为了估计摆幅，要创建一张表(表1)，它由输出摆幅的初始猜测值开始(第2列)，接着是对猜测值的一系列修正(比较第3列和第5列，结果由第6列显示)。
表1：使用迭代来预测图2a的输出摆幅(LMH66?2)。
重复这一过程，直至在所给的条件下，器件特性与负载要求一致，便在第2列的底部得到了最终的结果，这样就完成了对摆幅的估算。因此，表１中的反复结果显示，图2a中的电路能在100Ω的负载上产生最高8.75V的电压。转换成峰峰值是7.5V PP{=(8.75-5)V x 2=7.5V PP}。
下面列出了表1中所使用方法的一些注意事项：对于图2a中的电路，只能提供源电流。因此，只使用了图1a。在每种情况下，在图1中假设最差的温度情况来计算第5列的数值。第5列中的数值是在图1a中将第4列的值作为y轴，然后从图中读出的。第2列中的最终结果，也就是第4次迭代的值，还是一个近似解，因为第3列(87.5mA)中的数值仍比第5列(90mA)低。但是，图中的分辨率已经不允许再对这个结果进行细调。
现在我们对刚才讨论的实例稍做变化，假设LMH66?2的输出负载不变，但信号经过交流耦合的情况，如图2b所示。预测输出摆幅的方法与前面相同，只是由于交流耦合负载只能"看到"信号的摆幅，输出电压的直流分量(偏置)被交流耦合电容阻挡，因此表中的一些条目(第3列)需要被修改。此外，还要注意交流耦合负载需要LMH66?2的输出能接受和提供电流(与图2a中只需要输出提供电流的应用不同)。因此，选择源电流和漏电流特征中较小的一个数值，填入表2中的第5列。
表2：使用迭代预测图2b的输出摆幅。
第2列中的最终结果(9.6V)对应于交流耦合负载上9.2V PP{=(9.6-5)V*2=9.2V pp}的输出摆幅，像所预期的那样，要比前面所讨论的直流耦合负载的实例中的值(7.5V PP)大，原因是没有直流负载。
使用这些可选的输出能力图估算摆幅的过程，与前面给出的实例十分相似，都是使用反复方式对初始的猜测值进行细调。
运用于模拟前端的运算放大器设计技巧
高速转换系统，尤其是电信领域的转换系统，允许模数转换器(ADC)输入信号为AC耦合信号(通过利用变压器、电容器或两者的组合)。但对于测试和测量行业而言，前端设计并非如此简单，这是因为除提供AC耦合能力之外，该应用领域通常要求输入信号与DC耦合。设计可提供良好脉冲响应和低失真性能(≥500MHz的DC频率)的有源前端充满挑战。本文就适用于高速数据采集的高性能ADC使用的模拟前端提供几种设计思想和建议。
图1：LMH6703频响。
使用差分放大器是将高频模拟信号与ADC的输入相连的首选方法。因此，需要选择的第一个器件就是差分输出运算放大器。选择这类器件时，主要有两个考虑因素：增益带宽积和从外部电压设置运算放大器的共模输出电压的能力。这是因为驱动ADC输入的信号放大器将共模输出电压(VCMO)设置在最适合的ADC范围内是很重要的。如果不能满足这些条件，ADC的性能会随着放大器的VCMO和ADC的最佳输入共模电压间不一致程度的增加而大幅降低。
宽带差分运算放大器的主要劣势在于其增益通常都很有限，且其增益级别也许在内部已经预设。根据应用的不同，可能需要为设计添加前置放大器，从而满足必须的增益要求。
至于前置放大器应该采用宽带运算放大器，以满足ADC的预期输入频率。对于采样速率高达1GSPS的系统而言，这等于要求过采样系统具有高达500MHz的输入带宽。
图2：二级放大器电路图。
对于与大增益(如A V=10)一起工作并能保持这样大的带宽的运算放大器而言，其等同于5GHz增益带宽积(GBW)。由于该架构固有的频响和增益之间的直接折中，大多数的电压反馈放大器都不能满足该要求。然而，电流反馈放大器在这些参数中保持较好的关系，因为其性能通常由运算放大器电路内的反馈电阻值决定。运算放大器LMH6703非常适于在增益设置为1～10的高带宽下工作。该器件可与所选的差分放大器一起使用，从而在高带宽系统(如示波器和数据采集卡)中提供额外的增益要求。该放大器的频响见图１。
图3：带有扩展AC信号性能的系统频响。
如果增益设置为10且带宽为500MHz，则由图１得到300欧姆的推荐反馈电阻(RF1)。
因此RG1(增益电阻)可选为33欧姆。图2是LMH6703和一个差分放大器一起使用的电路实例。
除了需要具有合适的DC信号通道的固定增益级别的系统，该应用还需要一个AC耦合模式。这是因为DC信号通道通常受到输入放大器所产生的增益带宽的限制。对于数据采集器件或需要很宽的输入带宽和低失真的通信通道而言，我们需要采用AC信号通道。这可将输入频率上限扩展到DC信号通道容量以外。
解决办法有很多种，选择哪种方法在很大程度上取决于最小的输入频率以及所需的高频性能。对于高频下(≥200MHz)的最高AC性能而言，平衡/非平衡变压器为实现单端-差分转换提供了解决方案，因为增加的信号失真很少。其折衷在于平衡/非平衡变压器是有损耗器件，会小幅(-12dB)削弱信号，并且它们的低频性能很差。通过使用单刀RF继电器来将单端输出信号从前置放大器切换到差分放大器或平衡/非平衡转换电路中，可以将平衡/非平衡耦合信号通道插入图3所示的电路中。还需要另一个单刀双掷RF继电器来将平衡/非平衡变压器和差分放大器的输出转发到ADC输入中。
实验五集成运算放大器的基本应用(I) ─模拟运算电路─ 一、实验目的 1、了解和掌握集成运算放大器的功能、引脚 2、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算 电路的功能。 3、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放。 开环电压增益A =∞ ud =∞ 输入阻抗r i =0 输出阻抗r o 带宽 f =∞ BW 失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性：
（1）输出电压U O 与输入电压之间满足关系式 U O ＝A ud （U +－U －） 由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 （2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图8－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压 之间的关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 图8－1 反相比例运算电路 图8－2 反相加法运算电路 2) 反相加法电路 电路如图8－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )U R R U R R ( U i22 F i11F O +-= R 3＝R 1 // R 2 // R F 3) 同相比例运算电路 图8－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i 1 F O U R R U - =
u o t u u i1 i2运算放大器知识点总结 1、 部分组成 偏置电路，输入级，中间级，输出级。 2、零点漂移： （1）表现： 输入u i =0时，输出有缓慢变化的电压产生。 （2）原因： 由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。 （3）衡量方法： 将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。 例如 100,=u1A 100=u2A 10000=u A 如果输入等效为100uV ，漂移为1V 。 （4）减小漂移的措施： 采用差动放大电路 采用温度补偿，非线性元件 3、差动放大电路 运放的输入级一般采用差动放大电路。 差动放大电路又称差分放大电路，它的输出电压与两个输入电压之差成正比。它能较好地克服直接耦合放大器的零点漂移问题，是集成运算放大器的基本组成单元。 结构如右图： （1）对称性结构 β1=β2=β U BE1=U BE2= U BE r be1= r be2= r be R C1=R C2= R C R b1=R b2= R b （2）信号分类 差模信号：i2i1id =u u u - o u V CC V EE o u V CC V EE
i2 u EE 共模信号：) ( 2 1 = i2 i1 ic u u u+ 差模电压增益： id od ud = u u A 共模电压增益： ic oc uc = u u A 总输出电压： ic uc id ud oc od o =u A u A u u u+ = + 2 1 1 EE AB R R R V U + = 3 AB C3 V 7.0 R U I - = 2 C3 C2 C1 I I I= = ②动态 恒流源等效电阻：) // 1( 3 2 1 be3 3 ce R R R r R r R + + + = β 等效 ，且 2 1 2 1 2 1 // R R R R R R + ? = （5）差动放大器输入、输出方式的接法 u i1=u i2 =u ic，u id=0 设u i1 ↑，u i2↑ →u o1↓，u o2↓。 因u i1 = u i2， →u o1 = u o2 → u o= 0 (理想化) 共模电压放大倍数A UC=0 i2 i1 u
实验十一 集成运算放大器的基本应用 —— 模拟运算电路 一、实验目的 1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、交流毫伏表 4、信号发生器 三、实验原理 在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。 1、 反相比例运算电路 电路如图11-1所示。对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 i F O U R R U 1 - = （11-1） U i O 图11-1 反相比例运算电路 为减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R2=R1∥R F ，此处为了简化电路，我们选取R2=10K 。
2、反相加法电路 U O U 图11-2 反相加法运算电路 电路如图11-2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )( 22 11i F i F O U R R U R R U +-= R 3=R 1∥R 2∥R F （11-2） 3、同相比例运算电路 图11-3（a ）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i F O U R R U )1(1 + = R 2=R 1∥R F （11-3） 当R1→∞时，U O =U i ，即得到如图11-3（b ）所示的电压跟随器。图中R2=R F ，用以减小漂移和起保护作用。一般RF 取10K Ω，R F 太小起不到保护作用，太大则影响跟随性。 (a)同相比例运算 (b)电压跟随器 图11-3 同相比例运算电路 4、差动放大电路(减法器) 对于图11-4所示的减法运算电路，当R1=R2，R3=R F 时，有如下关系式： )(1 120i i U U R RF U -= （11-4）
运算放大器应用设计的几个技巧 一、如何实现微弱信号放大？ 传感器+运算放大器+ADC+处理器是运算放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？张世龙指出，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果，必须使用一些较特别的方法和传感器激励手段，而使用同步检测电路结构可以得到非常好的测量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构，包括传感器的方波激励，电流转电压放大器，和同步解调三部分。他表示，需要注意的是电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。另外同步解调需选用双路的SPDT模拟开关。 另有工程师朋友建议，在运放、电容、电阻的选择和布板时，要特别注意选择高阻抗、低噪声运算和低噪声电阻。有网友对这类问题的解决也进行了补充，如网友“1sword”建议： 1)电路设计时注意平衡的处理，尽量平衡，对于抑制干扰有效，这些在美国国家半导体、BB(已被TI收购)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。 2)推荐加金属屏蔽罩，将微弱信号部分罩起来(开个小模具)，金属体接电路地，可以大大改善电路抗干扰能力。 3)对于传感器输出的nA?级，选择输入电流pA?级的运放即可。如果对速度没有多大的要求，运放也不贵。仪表放大器当然最好了，就是成本高些。 4)若选用非仪表运放，反馈电阻就不要太大了，M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大，中间加入简单的高通电路，抑制50Hz干扰。 二、运算放大器的偏置设置 在双电源运放在接成单电源电路时，工程师朋友在偏置电压的设置方面会遇到一些两难选择，比如作为偏置的直流电压是用电阻分压好还是接参考电压源好？有的网友建议用参考电压源，理由是精度高，此外还能提供较低的交流旁路，有的网友建议用电阻，理由是成本低而且方便，对此，张世龙没有特别指出用何种方式，只是强调双电源运放改成单电源电路时，如果采用基准电压的话，效果最好。这种基准电压使系统设计得到最小的噪声和最高的PSRR。但若采用电阻分压方式，必须考虑电源纹波对系统的影响，这种用法噪声比较高，PSRR比较低。 三、如何解决运算放大器的零漂问题？ 有网友指出，一般压电加速度传感器会接一级电荷放大器来实现电荷——电压转换，可是在传感器动态工作时，电荷放大器的输出电压会有不归零的现象发生，如何解决这个问题？ 对此，网友“Frank”分析道，有几种可能性会导致零漂：1)反馈电容ESR特性不好，随电荷量的变化而变化；2)反馈电容两端未并上电阻，为了放大器的工作稳定，减少零漂，在反馈电容两端并上电阻，形成直流负反馈可以稳定放大器的直流工作点；3)可能挑选的运算放大器的输入阻抗不够高，造成电荷泄露，导致零漂。 网友“camel”和“windman”还从数学分析的角度对造成零漂的原因进行了详细分析，认为除了使干扰源漂移小以外还必须使传感器、缆线电阻要大，运放的开环输入阻抗要高、运放的反馈电阻要小，即反馈电阻的作用是为了防止漂移，稳定直流工作点。但是反馈电阻太小的话，也会影响到放大器的频率下限。所以必须综合考虑！ 而嘉宾张世龙则建议，对于电荷放大器输出电压不归零的现象，一般采用如下办法来解决： 1)采用开关电容电路的技巧，使用CDS采样方式可以有效消除offset电压；2)采用同步检测电路结构，可以有效消除offset电压。
Op Amp Circuit Collection AN-31
Practical Differentiator f c e 1 2q R2C1 f h e 1 2q R1C1 e 1 2q R2C2 f c m f h m f unity gain TL H 7057–9 Integrator V OUT e b 1 R1C1 t2 t1 V IN dt f c e 1 2q R1C1 R1e R2 For minimum offset error due to input bias current TL H 7057–10 Fast Integrator TL H 7057–11Current to Voltage Converter V OUT e l IN R1 For minimum error due to bias current R2e R1 TL H 7057–12 Circuit for Operating the LM101 without a Negative Supply TL H 7057–13Circuit for Generating the Second Positive Voltage TL H 7057–14
Neutralizing Input Capacitance to Optimize Response Time C N s R1 R2 C S TL H 7057–15 Integrator with Bias Current Compensation Adjust for zero integrator drift Current drift typically0 1 n A C over b55 C to125 C temperature range TL H 7057–16 Voltage Comparator for Driving DTL or TTL Integrated Circuits TL H 7057–17 Threshold Detector for Photodiodes TL H 7057–18 Double-Ended Limit Detector V OUT e4 6V for V LT s V IN s V UT V OUT e0V for V IN k V LT or V IN l V UT TL H 7057–19 Multiple Aperture Window Discriminator TL H 7057–20
第7章集成运算放大器的基本应用 7.1 集成运算放大器的线性应用 7.1.1 比例运算电路 7.1.2 加法运算电路 7.1.3 减法运算电路 7.1.4 积分运算电路 7.1.5 微分运算电路 7.1.6 电压—电流转换电路 7.1.7 电流—电压转换电路 7.1.8 有源滤波器 *7.1.9 精密整流电路 7.2 集成运放的非线性应用 7.2.1 单门限电压比较器 7.2.2 滞回电压比较器 7.3 集成运放的使用常识 7.3.1 合理选用集成运放型号 7.3.2 集成运放的引脚功能 7.3.3 消振和调零 7.3.4 保护 本章重点: 1. 集成运算放大器的线性应用：比例运算电路、加减法运算电路、积分微分运算电路、一阶有源滤波器、二阶有源滤波器 2. 集成运算放大器的非线性应用：单门限电压比较器、滞回比较器 本章难点: 1. 虚断和虚短概念的灵活应用 2. 集成运算放大器的非线性应用 3. 集成运算放大器的组成与调试 集成运算放大器(简称集成运放)在科技领域得到广泛的应用，形成了各种各样的应用电路。从其功能上来分，可分为信号运算电路、信号处理电路和信号产生电路。从本章开始和以后的相关章节分别介绍它们的应用。 7.1 集成运算放大器的线性应用
集成运算放大器的线性应用 7.1.1 比例运算电路 1. 同相比例运算电路 (点击查看大图)反馈方式：电压串联负反馈 因为有负反馈，利用虚短和虚断 虚短: u-= u+= u i
虚断: i +=i i- =0 ， i 1 =i f 电压放大倍数: 平衡电阻R=R f//R1 2. 反相比例运算 (点击查看大图)反馈方式：电压并联负反馈 因为有负反馈，利用虚短和虚断 i - =i+= 0（虚断） u + =0，u－=u+=0（虚地） i 1 =i f 电压放大倍数:
仪表放大器电路设计技巧 Charles Kitchin，Lew Counts 美国模拟器件公司 长期以来，为仪表放大器供电的传统方法是采用双电源或双极性电源，这具有允许正负输入摆幅和输出摆幅的明显优势。随著元器件技术的发展，单电源工作已经成为现代仪表放大器一个越来越有用的特性。现在许多数据采集系统都是采用低电压单电源供电。对于单电源系统，有两个至关重要的特性。首先，仪表放大器的输入范围应当在正电源和负电源之间(或接地电压)扩展。其次，放大器的输出摆幅也应当接近电源电压的两端(R-R)，提供一个与电源电压的任一端或地电位相差100mV(或小于100mV)以内的输出摆幅(V-+0.1V～V+-0.1V)。比较起来，一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能与电源电压的任一端或地电位相差1V或2V以内。当采用5V 单电源工作时，这些仪表放大器仅具有1V或2V输出电压摆幅，而真正的R-R输出仪表放大器能提供几乎与电源电压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或R-R仪表放大器采用双电源仍能工作(甚至更好)并且通常其工作电源电压比传统的双电源器件低。 电源解耦是一个经常被工程师忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0.1μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情况适合，但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑电路中的电流在何处产生，从何处返回和通过什麽路径返回是很重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其他信号路径周围旁路这些电流。 通常，像运算放大器一样，大多数单片仪表放大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器并且应当相对输出参考端解耦。这意味著对于每颗晶片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在PCB上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如图1所示。 图1、电源旁路的推荐方法 1.输入接地返回的重要性 当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供一个DC返回路径。这通常发生在当仪表放大器的输入是容性耦合时。图2示出这样一个电路。
电子电路基础知识点总结 1、纯净的单晶半导体又称本征半导体，其内部载流子自由电子空穴的数量相等的。 2、射极输出器属共集电极放大电路，由于其电压放大位数约等于1，且输出电压与输入电压同相位，故又称为电压跟随器（射极跟随 器）。 3、理想差动放大器其共模电压放大倍数为0,其共模抑制比为 4、一般情况下，在模拟电器中，晶体三极管工作在放大状态，在数字电器中晶体三极管工作在饱和、截止状态。 5、限幅电路是一种波形整形电路，因它削去波形的部位不同分为上限幅、下限幅和双向限幅电路。 6、主从JK 触发器的功能有保持、计数、置0、置 1 。 7、多级放大器的级间耦合有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。 8、带有放大环节串联稳压电路由调整电路、基准电路、取样电路和比较放大电路分组成。 9、时序逻辑电路的特点是输出状态不仅取决于当时输入状态，还与输出端的原状态有关。 10、当PN结外加反向电压时，空间电荷区将变宽。反向电流是由 少数载流子形成的
11、半导体具有热敏性、光敏性、力敏性和掺杂性等独特的导电 特性。 12、利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉动的直流电。 13、硅稳压管正常工作在反向击穿区。在此区内，当流过硅稳压管的电流在较大范围变化时，硅稳压管两端的电压基本不变。 14、电容滤波只适用于电压较大，电流较小的情况，对半波整流电路来说，电容滤波后，负载两端的直流电压为变压级次级电压的 1 倍，对全波整流电路而言较为 1.2 倍。 15、处于放大状态的NPN管，三个电极上的电位的分布必须符合UC>UB>UE而PNP管处于放大状态时，三个电极上的电位分布须符合 UE>UE>UC总之，使三极管起放大作用的条件是：集电结反偏，发射结正偏。 16、在P型半导体中，多数载流子是空穴，而N型半导体中，多数载流子是自由电子。 17、二极管在反向截止区的反向电流基本保持不变。 18、当环境温度升高时，二极管的反向电流将增大。 19、晶体管放大器设置合适的静态工作点，以保证放大信号时，三极管应始终工作在放大区。 20、一般来说，硅晶体二极管的死区电压大于锗管的死区电压。
集成运放基本应用之一—模拟运算电路
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实验十二集成运放基本应用之一——模拟运算电路 一、实验目的 1、了解并掌握由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的原理与功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二、实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性： 在大多数情况下，将运放视为理想运放，就是将运放的各项技术指标理想化，满足下列条件的运算放大器称为理想运放： 开环电压增益A ud=∞ 输入阻抗r i=∞ 输出阻抗r o=0 带宽f BW=∞ 失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性： （1）输出电压U O与输入电压之间满足关系式 U O＝A ud（U+－U－） 由于A ud=∞，而U O为有限值，因此，U+－U－≈0。即U+≈U－，称为“虚短”。
（2）由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”。这说明运放对其前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图5－1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的 关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 图5－1 反相比例运算电路 图5－2 反相加法运算电路 2) 反相加法电路 电路如图5－2所示，输出电压与输入电压之间的关系为 )U R R U R R ( U i22 F i11F O +-= R 3＝R 1 / R 2 // R F 3) 同相比例运算电路 图5－3(a)是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i 1 F O )U R R (1U + = R 2＝R 1 / R F 当R 1→∞时，U O ＝U i ，即得到如图5－3(b)所示的电压跟随器。图中R 2＝R F ， i 1 F O U R R U -=
运算放大器核心是一个差动放大器。 就是两个三极管背靠背连着。共同分担一个横流源的电流。三极管一个是运放的 正向输入，一个是反向输入。正向输入的三极管放大后送到一个功率放大电路放 大输出。 这样，如果正向输入端的电压升高，那么输出自然也变大了。如果反相输入端电 压升高，因为反相三级管和正向三级管共同分担了一个恒流源。反向三级管电流 大了，那正向的就要小，所以输出就会降低。因此叫反向输入。 当然，电路内部还有很多其它的功能部件，但核心就是这样的。 数字电路即为TTL或C-MOS逻辑电路，而谈到模拟电路，首先就应想到运算放大器。但是，这里讲的运算放大器是怎样一个器件呢? 简而言之，运算放大器是具有两个输入端，一个输出端，以极大的放大率将两输入端之间的电压放大之后，传递到输出端的一种放大器。 如果以电路符号来表示运算放大器，则如 右图，可表示为三角形。它的两个输入部分分 别叫做非倒相输入(1N＋)和倒相输入(IN－)。 它以极大的放大率将倒相输入端与非倒相输 人端之间的电压放大，然后从输出端(OUT)输 出。 模拟/zh2002202 发表于2007-04-09, 14:09 1．“虚断”和“虚短”概念 如果为了简化包含有运算放大器的电子电路，总是假设运算放大器是理想的，这样就有“虚短”和“虚断”概念。 “虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。虚短的必要条件是运放引入深度负反馈。 “虚断”是指在理想情况下，流入集成运算放大器输入端电流为零。这是由于理想运算放大器的输入电阻无限大，就好像运放两个输入端之间开路。但事实上并没有开 路，称为“虚断”。 2．集成运算放大器线性应用电路 集成运算放大器实际上是高增益直耦多级放大电路，它实现线性应用的必要条件是引入深度负反馈。此时，运放本身工作在线性区，两输入端的电压与输出电压成线 性关系，各种基本运算电路就是由集成运放加上不同的输入回路和反馈回路构成。 在分析由运放构成的各种基本运算电路时，一定要抓住不同的输入方式（同相或反相）和负反馈这两个基本点。 3．有源滤波电路
知识| 电子电路基础知识点总结 1、纯净的单晶半导体又称本征半导体，其内部载流子自由电子空穴的数量相等的。 2、射极输出器属共集电极放大电路，由于其电压放大位数约等于1，且输出电压与输入电压同相位，故又称为电压跟随器(射极跟随器)。 3、理想差动放大器其共模电压放大倍数为0，其共模抑制比为∞。 4、一般情况下，在模拟电器中，晶体三极管工作在放大状态，在数字电器中晶体三极管工作在饱和、截止状态。 5、限幅电路是一种波形整形电路，因它削去波形的部位不同分为上限幅、下限幅和双向限幅电路。 6、主从JK触发器的功能有保持、计数、置0、置1 。 7、多级放大器的级间耦合有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合。 8、带有放大环节串联稳压电路由调整电路、基准电路、取样电路和比较放大电路分组成。 9、时序逻辑电路的特点是输出状态不仅取决于当时输入状态，还与输出端的原状态有关。 10、当PN结外加反向电压时，空间电荷区将变宽。反向电流是由少数载流子形成的。 11、半导体具有热敏性、光敏性、力敏性和掺杂性等独特的导电特性。 12、利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉动的直流电。 13、硅稳压管正常工作在反向击穿区。在此区内，当流过硅稳压管的电流在较大范围变化时，硅稳压管两端的电压基本不变。 14、电容滤波只适用于电压较大，电流较小的情况，对半波整流电路来说，电容滤波后，负载两端的直流电压为变压级次级电压的1倍，对全波整流电路而言较为1.2倍。15、处于放大状态的NPN管，三个电极上的电位的分布必须符合UC>UB>UE，而PNP 管处于放大状态时，三个电极上的电位分布须符合UE>UE>UC。 总之，使三极管起放大作用的条件是：集电结反偏，发射结正偏。
实验名称 集成运算放大器的基本应用 一.实验目的 1.掌握集成运算放大器的正确使用方法。 2.掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法。 3.学习正确使用示波器交流输入方式和直流输入方式观察波形的方法，重点掌握积分输入，输出波形的测量和描绘方法。 二.实验元器件 集成运算放大器 LM324 1片 电位器 1k Ω 1只 电阻 100k Ω 2只；10k Ω 3只；5.1k Ω 1只；9k Ω 1只 电容 0.01μf 1只 三、预习要求 1.复习由运算放大器组成的反相比例、反相加法、减法、比例积分运算电路的工作原理。 2.写出上述四种运算电路的vi 、vo 关系表达式。 3.实验前计算好实验内容中得有关理论值，以便与实验测量结果作比较。 4.自拟实验数据表格。 四.实验原理及参考电路 本实验采用LM324集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。 1. 反向比例运算 反向比例运算电路如图1所示，设组件LM324为理想器件，则 11 0υυR R f -=
R f 100k R 1 10k A 10k R L v o v 1 R 9k 图1 其输入电阻1R R if ≈，图中1//R R R f ='。 由上式可知，改变电阻f R 和1R 的比值，就改变了运算放大器的闭环增益vf A 。 在选择电路参数是应考虑： ○ 1根据增益，确定f R 与1R 的比值，因为 1 R R A f vf - = 所以，在具体确定f R 和1R 的比值时应考虑；若f R 太大，则1R 亦大，这样容易引起较大的失调温漂；若f R 太小，则1R 亦小，输入电阻if R 也小，可能满足不了高输入阻抗的要求，故一般取f R 为几十千欧至几百千欧。 若对放大器输入电阻有要求，则可根据1R R i =先确定1R ，再求f R 。 ○ 2运算放大器同相输入端外接电阻R '是直流补偿电阻，可减小运算放大器偏执电流产生的不良影响，一般取1//R R R f ='，由于反向比例运算电路属于电压并联负反馈，其输入、输出阻抗均较低。 本次试验中所选用电阻在电路图中已给出。 2. 反向比例加法运算 反向比例加法运算电路如图2所示，当运算放大器开环增益足够大时，其输入端为“虚地”，11v 和12v 均可通过1R 、2R 转换成电流，实现代数相加，其输出电压 ??? ??+-=122111 v R R v R R v f f o 当R R R ==21时 ()1211v v R R v f o +- = 为保证运算精度，除尽量选用精度高的集成运算放大器外，还应精心挑选精度高、稳定性好的电阻。f R 与R 的取值范围可参照反比例运算电路的选取范围。 同理，图中的21////R R R R f ='。
东南大学电工电子实验中心 实验报告 课程名称：模拟电子电路实验 第 1 次实验 实验名称：运算放大器的基本应用 院（系）：吴健雄学院专业：电类强化班 姓名：学号： 610142 实验室:实验组别： 同组人员：实验时间：2016年4月10日 评定成绩：审阅教师： 一、实验目的 1.熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法等电路的设计方法； 2.熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法； 3.了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入 失调电流、温度漂移、共模抑制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和极限参数（大差模输入电压、大共模输入电压、大输出电流、大电源电压等）的基本概念； 4.熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性、传输特性曲线的测量方法；
5.掌握搭接放大器的方法及使用示波器测量输出波形。 二、预习思考 1.查阅 LM324 运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数 和极限参数，解释参数含义。
2.设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10K?，RF=100 k?，并用 multisim 仿真。 其中分压电路由100k?的电位器提供，与之串联的510?电阻起限流的作用。 3.设计一个同相比例放大器，要求：|AV|=11，Ri>10K?，RF=100 k?，并用 multisim 仿真。
三、 实验内容 1. 基本要求 内容一： 反相输入比例运算电路各项参数测量实验（预习时，查阅 LM324 运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释参数含义）。 图 1.1 反相输入比例运算电路 LM324 管脚图 1) 图 1.1 中电源电压±15V ，R1=10k Ω，RF=100 k Ω，RL ＝100 k Ω，RP ＝10k//100k Ω。按图连接电路，输入直流信号 Ui 分别为－2V 、－0.5V 、0.5V 、2V ，用万用表测量对应不同 Ui 时的 Uo 值，列表计算 Au 并和理论值相比较。其中 Ui 通过电阻分压电路产生。 Ui/V Uo/V Au 测量值 理论值 -2 13.365 -6.6825 \
通用运算放大器主要参数测试方法说明 1. 运算放大器测试方法基本原理 采用由辅助放大器（A）与被测器件（DUT）构成闭合环路的方法进行测试，基本测试原理图如图1所示。 图1 辅助放大器应满足下列要求： (1) 开环增益大于60dB； (2) 输入失调电流和输入偏置电流应很小； (3) 动态范围足够大。 环路元件满足下列要求： (1) 满足下列表达式 Ri·Ib＜Vos R＜Rid R·Ib ＞Vos Ros＜Rf＜Rid R1＝R2 R1＞RL 式中：Ib：被测器件的输入偏置电流； Vos：被测器件的输入失调电压； Rid：被测器件的开环差模输入电阻； Ros：辅助放大器的开环输出电阻； (2) Rf/ Ri值决定了测试精度，但须保证辅助放大器在线性区工作。
2.运算放大器测试适配器 SP-3160Ⅲ数/模混合集成电路测试系统提供的运算放大器测试适配器便是根据上述基本原理设计而成。它由运放测试适配板及一系列测试适配卡组成，可以完成通用单运放、双运放、四运放及电压比较器的测试。运算放大器适配器原理图如附图所示。 3．测试参数 以OP-77G为例，通用运算放大器主要技术规范见下表。
3.1 参数名称：输入失调电压Vos (Input Offset Voltage)。 3.1.1 参数定义：使输出电压为零（或规定值）时，两输入端间所加的直流补偿 电压。 3.1.2 测试方法: 测试原理如图2 所示。 图2 (1) 在规定的环境温度下，将被测器件接入测试系统中； (2) 电源端施加规定的电压； (3) 开关“K4”置地（或规定的参考电压）； (4) 在辅助放大器A的输出端测得电压Vlo； (5) 计算公式： Vos=(Ri/(Ri+Rf))*VLo 。 3.1.3编程举例：（测试对象：OP-77G,测试系统：SP3160） ----测试名称:vos---- 测量方式:Vos Bias 1=-15.000 V Clamp1=-10.000mA Bias 2=15.000 V Clamp2=10.000mA 测量高限=0.0001 V 测量低限=____ V 测量延迟:50mS 箝位延迟:50mS SKon=[0,4,11,12,13,19,23,27] 电压基准源2电压=0V 电压基准源2量程+/-2.5V 电压基准源3电压=0V 电压基准源3量程+/-2.5V 测试通道TP1 测量单元DCV DCV量程:+/-2V
运算放大器应用电路的设计与制作 运算放大器 1.原理 运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。 图1运算放大器的特性曲线 图2运算放大器输入输出端图示 图1是运算放大器的特性曲线，一般用到的只是曲线中的线性部分。如图2所示。U -对应的端子为“-”，当输入U -单独加于该端子时，输出电压与输入电压U -反相，故称它为反相输入端。U +对应的端子为“＋”，当输入U +单独由该端加入时，输出电压与U +同相，故称它为同相输入端。 输出：U 0= A(U +-U -) ； A 称为运算放大器的开环增益（开环电压放大倍数）。 在实际运用经常将运放理想化，这是由于一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得到:开环电压增益A ud =∞；输入阻抗r i =∞；输出阻抗r o =0；带宽f BW =∞；失调与漂移均为零等理想化参数。 理想运放在线性应用时的两个重要特性 输出电压U O 与输入电压之间满足关系式：U O ＝A ud （U +－U －）,由于A ud =∞，而U O 为有限值，因此，U +－U －≈0。即U +≈U －，称为“虚短”。 由于r i =∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I IB ＝0，称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则，可简化运放电路的计算。 运算放大器的应用 (1)比例电路 所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 (a) 反向比例电路 反向比例电路如图3所示，输入信号加入反相输入端: 图3反向比例电路电路图 对于理想运放，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为： 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻 R ’＝R 1 // R F 。 输出电压U 0与输入电压U i 称比例关系，方向相反，改变比例系数，即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。 (b) 同向比例电路 同向比例电路如图4所示，跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端: 图4 同相比例电路电路图 i 1 f O U R R U -=
电工学下册电子技术知识点总结 模拟电路处理模拟信号，数字电路处理数字信号 第14章半导体器件 1.本征半导体概念 2.N型和P型半导体的元素、多数载流子和少数载流子、“复合”运动 3.PN结的单向导电性，扩散运动，漂移运动 4.二极管的伏安特性、等效电阻（14.3.8） 5.稳压二极管的工作区 6.三极管的放大电流特性（非放大电压）、输出特性曲线（放大区、截止区、 饱和区），判断硅管和锗管、PNP型和NPN型（14.5.1，14.5.2,14.5.3） 第15章基本放大电路 1.共发射极放大电路的组成、静态分析、动态分析，计算电压放大倍数（远大 于1，输入输出电压反相）、输入电阻（高）、输出电阻（低） 2.静态工作点的稳定：分压式偏置放大电路的组成 3.非线性失真：饱和失真（静态工作点高）、截止失真（静态工作点低） 4.射极输出器的组成、静态分析（估算法、图解法）、动态分析（微变等效电 路法、图解法），计算电压放大倍数（接近1，但小于1，输入输出电压同相）、输入电阻（高）、输出电阻（低） 5.多级放大电路的放大倍数，耦合方式三种：变压器耦合、阻容耦合（静态工 作点相对独立）、直接耦合（静态工作点相互影响，零点漂移） 6.差分(差动)放大电路：针对缓慢变化的信号，采用直接耦合，共模信号，差 模信号，抑制零点漂移，电路对称性要好 7.功率放大电路状态：甲类、甲乙类、乙类，为避免交越失真，需工作在甲乙 类状态下 第16章集成运算放大器 1.理想运算放大器的理想化条件：开环电压放大倍数∞，差模输入电阻∞，开 环输出电阻0，共模抑制比∞，工作区：线性区和饱和区 2.虚短、虚断
运算放大器使用技巧 一、采用哪种放大器 运算放大器基本电路有反相放大器及同相放大器，在实际使用中如何选择? 如果输入与输出要求反相，当然要采用反相放大器，若放大的是交流信号，并无相位要求则可以采用同相放大器或反相放大器。采用哪种好呢？这要根据具体情况来分析。 采用反相放大器的优点是：运放不管有无输入信号，其两输入端电位始终近似为零．两输入端之间仅有低于μV级的差动信号(或称差模信号)．而同相输入放大器的两个输入端之间除有极小的差模信号外，同时还存在较大的共模电压。虽然运放有较大的共模抑制比，但多少也会因共模电压带来一些误差。同相放大器的优点是输入阻抗极高，因此输入电阻取大取小影响不大，而反相放大器的输入阻抗Zi与输入电阻Ri大小有关(输入阻抗Zi等于输人电阻Ri) 例如，输入阻抗要求100kΩ；增益要求300，则若采用反相放大器时，Ri=100kΩ，Rf=30MΩ．这样大的反馈阻值对通用运放很难正常工作了，在这种情况时，采用同相放大器更合适。 另外，还要看信号源的内阻大小。某些传感器的内阻较大，若采用输入阻抗较小的放大电路，会影响测量精度、在这种情况时采用同相放大器更为合适。 这里介绍一种既采用反相放大器，而且也不采用阻值大的反馈电阻的电路，如图1 所示这电路中的反馈电 阻Rf不直接接在输出端， 而按在由R1、R2组成分 压器的中点A。现对此电 路进行一些分析。 此电路要求输入阻抗为100KΩ，增益为-500。按一般反相放大器设计，Ri=100 K Ω，Rf=50MΩ。 A点的分压比为R1/（R1+R2）=1/500，且有R1《Rf。根据“虚短”及“虚断”原则，可以列出下式： Ii=Vi/100KΩ=If, IfRf=-VA,
实验二 集成运算放大器的基本应用(I) ─ 模拟运算电路 ─ 一 实验目的 1. 研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2. 了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。 二 实验原理 集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 集成运算放大器配接不同的外围元件可以方便灵活地实现各种不同的运算电路（线性放大和非线性电路）。用运算放大器组成的运算电路（也叫运算器），可以实现输入信号和输出信号之间的数学运算和函数关系，是运算放大器的基本用途之一，这些运算器包括比例器、加法器、减法器、对数运算器、积分器、微分器、模拟乘法器等各种模拟运算功能电路。 (1) 反相比例运算电路 电路如图1所示。对于理想运放， 该电路的输出电压与输入电压之间的关系为 为了减小输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻R 2＝R 1 // R F 。 i U 10-=- =i 1 F O U R R U
图1 反相比例运算电路 (2) 同相比例运算电路 图2是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为 i U 11=+ =i 1 F O )U R R (1U R 2＝R 1 // R F 图2 同相比例运算电路 三 实验设备与器件 1. ±12V 直流电源 2. 函数信号发生器 3. 交流毫伏表 4. 直流电压表 5. 集成运算放大器OP07×1 9.1K Ω、10 K Ω、100 K Ω电阻各1个，导线若干。 2 3 6 7 4 1 8 2 3 1 8 4 6 7
运算放大器的基本参数 1. 开环电压增益A OL 不带负反馈的状态下，运算放大器对直流信号的放大倍数。电压反馈运算放大器采用电 压输入/电压输出方式工作，其开环增益为无量纲比，所以不需要单位。但是，数值较小时，为方便起见，数据手册会以V/mV或V/ yV代替V/V表示增益，电压增益也可以dB形式表示，换算关系为dB = 20 xiogAVOL。因此，1V/ ^V的开环增益相当于120 dB，以此类推。该参数与频率密切相关，随着频率的增加而减小，相位也会发生偏移。 对于反向比例放大电路，只有当AOL >> R+Rf时，Vo=-Rf/RVi才能够成立。 Frequency (Hz) 2. 单位增益带宽B1 (Gain-Bandwidth Product) 开环电压增益大于等于 1 (OdB )时的那个频率范围，以Hz为单位。它将告诉你将小 信号(?土100mV )送入运放并且不失真的最高频率。在滤波器设计电路中，假定运放滤波器增益为 1V/V，则单位增益带宽大于等于滤波器截止频率f cut-off x 100。 3.共模抑制比CMRR 差分电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，CMRR=|Ad/Ac|。共模输入电压会影响到 输入差分对的偏置点。由于输入电路内部固有的不匹配，偏置点的改变会引起失调电压改变， 进而引起输出电压改变。其实际的计算方法是失调电压变化量比共模电压变化量，一般来说CMRR= △ Vos/ △ Vcom , TI及越来越多的公司将其定义为CMRR= △ Vcom/ △ Vos。在datasheet中该参数一般为直流参数，随着频率的增加而降低。
CCMMDN-MODE REJECTION RATIO vt. FREQUENCY 4. 输入偏置电流Ibias 输入偏置电流被定义为：运放的输入为规定电位时，流入两个输入端的电流平均值。记为IB。为了运放能正常的工作，运放都需要一定的偏置电流。IB=(IN+IP)/2。 当信号源阻抗很高时，就必须关注输入偏流，因为如果运放有很大的输入偏流，就会对信号源构成负载，因而会看到一个比预想要低的信号源输出电压，如果信号源阻抗很高，那 么最好使用一个以CMOS或者JFET作为输入级的运放，也可以采用降低信号源输出阻抗的方法，就是使用一个缓冲器，然后用缓冲器来驱动具有很大输入偏流的运放。 在双级输入级的情况下，可以使用对失调电流进行调零的方法，就是使从两个输入端看到的阻抗相互匹配。在CMOS和JFET输入电路的情况下，一般来说，失调电流不是问题，也没有必要进行阻抗匹配了。 5. 输入失调电流Ios 当运放的输出端置于规定电位时，流入运放两个输入端的电流之差的绝对值。 I OS=|IN-IP| 6. 电源抑制比PSRR 电源电压的改变量与由此引起的输入失调电压改变量之比的绝对值，单位是dB。对于双电源运放，PSSR= △ V cc士/ △ V os士。PSSR随着频率的增加而下降。开关电源产生的噪声频率从50kHz到500kHz或更高，在这些高频下，PSSR的值几乎为零，所以，电源上的 噪声会引起运放输出端上的噪声，对此必须使用恰当的旁路技术。