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解析运放电路选型原则

MCU开发加油站 2019-01-11 14:15 次阅读

目前市场运放种类繁多,面对不同的使用条件和环境,是否都能选择一样的运放呢?很多电子工程师都会为此感到困惑!没关系,今天本文就为大家揭开运放选型的神秘面纱,一起来看看吧!

一、该如何分析运放电路呢?

在学习运放选型前,我们需要先来透测的学习运放电路的内部结构和原理,对于我们来说运算放大器模拟电路中十分重要的元件,它能组成放大、加法、减法、转换等各种电路,我们可以运用运放的“虚短”和“虚断”来分析电路,然后应用欧姆定律等电流电压关系,即可得输入输出的放大关系等。

由于运放的电压放大倍数很大,一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的,一般在 10 V~14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV,两输入端近似等电位,相当于“短路”。开环电压放大倍数越大,两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时,可把两输入端视为等电位,这一特性称为虚假短路,简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。

由于运放的差模输入电阻很大,一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA,远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路,且输入电阻越大,两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时,可以把两输入端视为等效开路,这一特性称为虚假开路,简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

下面本文用虚断和虚断方法来对实际的电路进行分析,如图1-1所示,是常见的反相比例运算放大电路:

图1-1.方向比例运算放大电路

在反相放大电路中,信号电压通过电阻R1加至运放的反相输入端,输出电压Vo通过反馈电阻Rf反馈到运放的反相输入端,构成电压并联负反馈放大电路。

运放的同相端接地=0V,反相端和同相端虚短,所以也是0V,反相输入端输入电阻很高,虚断,几乎没有电流注入和流出,那么R1和Rf相当于是串联的,流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的,即流过R1的电流和流过Rf的电流是相同的。

根据欧姆定律:

Is= (Vs- V-)/R1...............(1)

If= (V- - Vo)/Rf...............(2)

V- = V+ = 0 ....................(3)

Is= If .............................(4)

求解后可能Vo== (-Rf/R1)*Vi

在分析电路的过程中,暂时不用管运放的其他特性,就根据虚短和虚断的特性来分析。当然,若运放不工作在放大区时,不满足虚短和虚断发条件,不能使用此种方法来分析,如比较器

如下图1-2,是运放实现的加法器,用虚短和虚断的方法来分析此电路。

图1-2.运放实现的加法器

由于电路存在虚短,运放的净输入电压vI=0,反相端为虚地。

vI=0,vN=0.......................(5)

反相端输入电流iI=0的概念,通过R2与R1的电流之和等于通过Rf的电流故

(Vs1 – V-)/R1 + (Vs2 – V-)/R2 = (V- –Vo)/Rf.......(6)

如果取R1=R2=R3,由a,b两式解得

-Vout=Vs1+Vs.......................(7)

式(7)中负号为反相输入所致,若再接一级反相电路,可消去负号。

简言之,虚短是运放正输入端和负输入端的电压相等,近似短路;虚断是流入正负输入端的电流为0。只要掌握了这一点,再运用欧姆定律,即可很容易的分析同相比例放大电路,反向比例放大电路等常用的运放放大电路。

二、运放具体该怎么选择呢?

下面分类介绍什么情况下选择什么样的运放!

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mA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放),它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。

2. 精密运算放大器

精密运算放大器一般指失调电压低于1mV的运放,对于直流输入信号,输入失调电压(VOS)和它的温漂小就行,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声和输入电流噪声显得更为重要一些。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。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。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。

3. 高阻型集成运算放大器

高阻型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。

4. 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。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。

5. 高速型运放

高速型运放在快速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。

6. 低功耗型运放

低功耗型运放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,所以随着便携运算放大器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。

7. 高压大功率型运算放大器

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。

相信通过上面的介绍,对不同使用条件下是否能使用同一种运放,显然是比较清楚的,实际选择集成运放时,还应考虑其他因素。例如信号源的性质,是电压源还是电流源;负载的性质,集成运放输出电压和电流的是否满足要求;环境条件,集成运放允许工作范围、工作电压范围、功耗与体积等因素是否满足要求。

最后再赠送大家一些评价运放的小经验,评价集成运放性能的优劣,应看其综合性能。SR为转换率,单位为V/ms,其值越大,表明运放的交流特性越好;Iib为运放的输入偏置电流,单位是nA;VOS为输入失调电压,单位是mV。Iib和VOS值越小,表明运放的直流特性越好。所以,对于放大音频、视频等交流信号的电路,选SR(转换速率)大的运放比较合适;对于处理微弱的直流信号的电路,选用精度比较的高的运放比较合适(既失调电流、失调电压及温飘均比较小)。在没有特殊要求的场合,尽量选用通用型集成运放,这样既可降低成本,又容易保证货源。当一个系统中使用多个运放时,尽可能选用多运放集成电路,例如LM324、LF347等都是将四个运放封装在一起的集成电路。

原文标题:揭开运放电路的神秘面纱:如何选型运放?

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中国集成电路产业需坚持开放合作 在国际竞争中获得市场认可才算是真正成功

集成电路产业是信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业,被喻....
的头像 半导体动态 发表于 03-11 16:32 443次 阅读
中国集成电路产业需坚持开放合作 在国际竞争中获得市场认可才算是真正成功

一级学科,集成电路人才的“春药”?

不要怂,我们一起选集成电路专业。
的头像 TechSugar 发表于 03-11 11:09 441次 阅读
一级学科,集成电路人才的“春药”?

CMOS模拟集成电路设计PDF版电子书免费下载

《CMOS模拟集成电路设计》(第2版)是模拟集成电路设计课的一本经典教材。全书共分5个部分。主要介绍....
发表于 03-11 08:00 67次 阅读
CMOS模拟集成电路设计PDF版电子书免费下载

半导体集成电路相关学科归并成为一级学科的提案引起国家重大关注

全国两会期间,诸多业界代表人物发出“芯”声,为集成电路产业发展积极建言献策。
的头像 半导体动态 发表于 03-08 16:14 1014次 阅读
半导体集成电路相关学科归并成为一级学科的提案引起国家重大关注

半导体产业链最全盘点,电子产业各细分领域最核心供应商名单

世界最大的半导体消费国,占45%全球芯片需求量,但是超过90%的芯片消费依赖进口,本土集成电路公司进....
的头像 电子工程技术 发表于 03-08 10:23 2625次 阅读
半导体产业链最全盘点,电子产业各细分领域最核心供应商名单

芯恩项目进展顺利 公司二期工程目标直指14nm及以下先进制程

3月5日,芯恩董事长张汝京表示,芯恩项目进展顺利,CIDM(Commune IDM——共有、共享式I....
的头像 半导体动态 发表于 03-07 17:11 621次 阅读
芯恩项目进展顺利 公司二期工程目标直指14nm及以下先进制程

我国集成电路人才缺口巨大,急需设立一级学科培养人才

全国政协委员、中科院微电子所副所长周玉梅接受了《中国电子报》记者采访。她建议,设立集成电路一级学科,....
的头像 集成电路园地 发表于 03-07 16:52 609次 阅读
我国集成电路人才缺口巨大,急需设立一级学科培养人才

LM45 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM45系列是精密集成电路温度传感器,其输出电压与摄氏(摄氏)温度成线性比例。 LM45不需要任何外部校准或微调,即可在室温下提供±2°C的精度,在整个-20至+ 100°C的温度范围内提供±3°C的精度。通过晶圆级的修整和校准确保低成本。 LM45的低输出阻抗,线性输出和精确的固有校准使得与读出或控制电路的接口特别容易。它可以与单个电源一起使用,也可以与正负电源一起使用。由于它的电源消耗仅为120μA,因此自然发热非常低,静止空气中的自热温度低于0.2°C。 LM45的额定工作温度范围为-20°至+ 100°C。 特性 直接以摄氏度(摄氏度)校准 线性+ 10.0 mV /°C比例因子 < li>±3°C精度保证 额定为-20°至+ 100°C范围 适用于远程应用 由于晶圆造成的低成本-Llevel Trimming 工作电压范围为4.0V至10V 电流消耗小于120μ 低自热,静止空气中为0.20°C 非线性仅±0.8°C最大温度 低阻抗输出,20 mA...
发表于 09-17 16:30 295次 阅读
LM45 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM62 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM62是一款精密集成电路温度传感器,可在+ 3.0V单电压下工作,检测0°C至+ 90°C温度范围供应。 LM62的输出电压与摄氏(摄氏)温度(+15.6 mV /°C)成线性比例,并具有+480 mV的直流偏移。偏移允许读取温度低至0°C而无需负电源。在0°C至+ 90°C的温度范围内,LM62的标称输出电压范围为+480 mV至+1884 mV。 LM62经过校准,可在室温和+ 2.5°C /-2.0°C范围内提供±2.0°C的精度,温度范围为0°C至+ 90°C。 LM62的线性输出,+ 480 mV偏移和工厂校准简化了在需要读取温度低至0°C的单电源环境中所需的外部电路。由于LM62的静态电流小于130μA,因此在静止空气中自热仅限于0.2°C。 LM62的关断功能是固有的,因为其固有的低功耗允许它直接从许多逻辑门的输出供电。 特性 校准线性比例因子+15.6 mV /°C 额定0°C至+ 90°C适用于远程应用的3.0V电压范围   关键规格 25°C±2.0或±3.0°时的精度C(最大) ...
发表于 09-17 15:48 37次 阅读
LM62 ±2°C 模拟输出温度传感器

LM235 模拟输出温度传感器,军用级,采用气密性 TO 封装

LM135系列是精密,易于校准的集成电路温度传感器。作为双端齐纳二极管,LM135的击穿电压与10 mV /°K时的绝对温度成正比。该器件的动态阻抗小于1Ω,工作电流范围为400μA至5 mA,性能几乎没有变化。在25°C下校准时,LM135在100°C温度范围内的误差通常小于1°C。与其他传感器不同,LM135具有线性输出。 LM135的应用包括几乎任何类型的温度检测,温度范围为-55°C至150°C。低阻抗和线性输出使得与读出或控制电路的接口特别容易。 LM135工作温度范围为-55°C至150°C,而LM235工作温度范围为?? 40° C至125°C的温度范围。 LM335的工作温度范围为-40°C至100°C。 LMx35器件采用密封TO晶体管封装,而LM335也采用塑料封装 特性 直接校准至开尔文温度   1°C初始准确度 工作电流范围为400μA至5 mA 小于1Ω动态阻抗 轻松校准 宽工作温度范围 200 °C超范围 低成本 ...
发表于 09-13 14:35 50次 阅读
LM235 模拟输出温度传感器,军用级,采用气密性 TO 封装

LOG2112 片上电压参考为 2.5V 的精密对数和对数比放大器

LOG112和LOG2112是多功能集成电路,可计算输入电流相对于参考电流的对数或对数比。 LOG112和LOG2112的V LOGOUT 被调整为每十倍输入电流0.5V,确保在宽动态范围的输入信号上具有高精度。 LOG112和LOG2112具有2.5V基准电压源,可用于使用外部电阻产生精密电流基准。 低直流偏移电压和温度漂移可在指定温度范围内精确测量低电平信号。 °C至+ 75°C。 特性 易于使用的完整功能 输出缩放放大器 片上2.5V电压参考 高精度:0.2%FSO超过5个十年 宽输入动态范围: 7.5十年,100pA至3.5mA 低电流电流:1.75mA 宽电源范围:±4.5V至±18V 封装:SO-14(窄)和SO-16 应用 日志,日志比率: 通信,分析,医疗,工业,测试,一般仪器 光电信号压缩放大器 模拟信号压缩模拟前后的模拟信号压缩-DIGITAL(A /D)转换器 吸光度测量 ...
发表于 09-06 17:29 68次 阅读
LOG2112 片上电压参考为 2.5V 的精密对数和对数比放大器

LMX2485Q-Q1 用于射频个人通信的汽车类 Δ-Σ 低功率双路 PLL

LMX2485Q-Q1是一款带有辅助性整数N PLL的低功耗,高性能Δ-Σ分数N PLL。该器件采用TI高级工艺制造。 凭借Δ-Σ架构,低偏移频率下的分数杂波被推至回路带宽之外的更高频率。将杂波和相位噪声能量推至更高频率的能力是调制器阶数功能的直接体现。与模拟补偿不同,LMX2485Q-Q1采用的数字反馈技术对于温度变化和晶圆制造工艺变化的抗扰度较高.LMX2485Q-Q1Δ-Σ调制器经编程最高可达四阶,允许设计人员根据需要选择最优调制器阶数,从而满足系统对于相位噪声,杂波和锁定时间的要求。 对LMX2485Q-Q1进行编程的串行数据通过三线制高速(20MHz)MICROWIRE接口进行传输.LMX2485Q-Q1提供精确的频率分辨率,低杂波,快速编程以及改变频率的单字写入功能。这使其成为直接数字调制应用的理想选择。此类应用的N计数器通过信息直接调制.LMX2485Q-Q1采用4.0mm×4.0mm×0.8mm 24引脚超薄型四方扁平无引线(WQFN)封装。 特性 实现低分频系数分频的四模预分频器 射频(RF)锁相环(PLL ):8/9/12/13或16/17/20/21 中频(IF)PLL:8/9或16/17 < li>高级Δ-Σ分频补偿 12位或22位可选分频模量 最高可...
发表于 08-06 17:13 192次 阅读
LMX2485Q-Q1 用于射频个人通信的汽车类 Δ-Σ 低功率双路 PLL

LMX2615-SP 具有相位同步功且支持 JESD204B 的航空级 40MHz 至 15GHz 宽带合成器

LMX2615-SP是一款高性能宽带锁相环(PLL),集成了电压控制振荡器(VCO)和稳压器,可输出40MHz的任何频率和没有倍频器的15 GHz,无需½谐波滤波器。此设备上的VCO覆盖整个八度音程,因此频率覆盖范围可达40 MHz。高性能PLL具有-236 dBc /Hz的品质因数和高相位检测器频率,可以实现非常低的带内噪声和集成抖动。 LMX2615-SP允许用户同步设备的多个实例的输出。这意味着可以从任何用例中的设备获得确定性阶段,包括启用分数引擎或输出分频器的设备。它还增加了对生成或重复SYSREF(符合JESD204B标准)的支持,使其成为高速数据转换器的理想低噪声时钟源。 该器件采用德州仪器制造?先进的BiCMOS工艺,采用64引脚CQFP陶瓷封装。 特性 辐射规格 单一事件闩锁> 120MeV-cm 2 /mg < /li> 总电离剂量达到100krad(Si) 40 MHz至15 GHz输出频率 -110 dBc /Hz相位采用15 GHz载波的100 kHz偏移噪声 8 GHz(100 Hz至100 MHz)时54 fs RMS抖动 可编程输出功率 PLL关键规格 品质因数:-236 dBc /Hz 归一化1 /f噪声:-129dBc /Hz 高达200 MHz相位检测器频率< /li> 跨多个设...
发表于 08-03 17:56 117次 阅读
LMX2615-SP 具有相位同步功且支持 JESD204B 的航空级 40MHz 至 15GHz 宽带合成器