运算放大器使用指南

运算放大器使用指南：我们知道，通用OP工作在这样的情况下：在接入负反馈环路后，OP和反馈环路的特性仅由反馈环路来决定。为了得到这样的特性，理想OP应该有无限大的输入阻抗，0输出内阻抗，无限大的增益，无限大的开环增益带宽（3dB带宽），以及其6dB/每2倍频程的频率滚降。不幸的是，要想实现这样的电路，其成本也将是无限的。
OP技术上的发展，特别是在整合周边电路方面的进步，使得我们能够用有限的成本，在工程上实现近似于理想状态的OP。在计入数量因素后，使用同时期的高性能集成OP的成本已经比5年前使用分立元件的成本大大下降。正是有了OP这种高性能，低成本的产品，才使得一些原来为分立元件系统成本和技术所限制的电路得以实现。一个很好的例子就是低频函数发生器，它可以由15到20片OP完成，包括波形整形，触发和相位锁定电路。
使用OP可以降低生产的成本，这使得系统和设备设计工程师们有必要熟悉OP的特性。本文将讲述OP的使用方法，从简单的缓冲器到复杂的信号发生器和波形整形电路。本文不讨论OP的基本理论，请参阅附注里的参考文献1，2，3，4。本文仅讨论OP的实际应用，OP参数的选择对电路的影响，并给出应用限制条件的概述。
我们按照从简到繁，分5个阶段来讨论OP的运用：简单放大器，运算电路，信号变送电路，整形电路和信号发生电路，电源电路。我们所例举的集成OP，一般包含了内部频率补偿电路，所以外部频率补偿电路没有给出。当然，我们也可以选择其他的OP以达到更高的工作频率。OP的参数说明在附件I里。基本的反相放大器电路示于图1。顾名思义，在R2/R1的数值远小于OP开环增益时，这个数值就是反相放大器的增益。输入阻抗就是R1的阻值，闭环增益带宽=单位增益带宽/（1+闭环增益）
在设计中需要注意的是：R3的阻值应该等于R1和R2的并联电阻，以减小输入偏置电流所带来的失调电压。输出失调电压=输入失调电压*闭环增益
OP输入端的失调电压有两个主要的来源，输入偏置电流（Input bias current）和输入失调电压（Input offset voltage）。对于一个给定的OP，输入失调电压就已经确定了，但是由输入失调电流所带来的失调电压与所采用的电路结构有关系，为了在不使用调整电路的情况下减小输入偏置电流所带来的失调电压，应该使得同、反相输入端对地的直流电阻相等，使得由于偏置电流在输入电阻上压降所带来的失调电压相互抵消。在对低内阻信号源的放大器中，OP的输入失调电压将成为失调电压误差的主要来源，而对于高内阻信号源的放大器，OP的输入偏置电流在信号源内阻上的压降将成为上述误差的主要来源。
在高输入阻抗的情况下，失调电压可以采用R3的阻值来调整，利用输入偏置电流在其上的压降来对输入失调电压作出补偿（既用这个的得到的压降来抵消输入失调电压）。
在交流耦合的时候，失调电压并不显得很重要，这时的主要问题是：失调电压减小了输出电压峰—峰值（P-P）的线性动态范围。
工作在闭环状态下的OP和其反馈网络的增益——频率特性，必须保证不会产生震荡。为了实现稳定，OP和反馈环路对任何频率的信号，在环路增益大于1时的环路相移角度绝对不能超过180°。在实践上，为了达到稳定条件，相移角度不应该接近180°。显然，最为临界的状态发生在反馈网络的衰减为0的时候（既跟随器状态）。没有做内部补偿的OP可以被用在深度反馈电路中以取得更好的频率特性。举一个例子：LM101在反相单位增益电路中，由于反馈网络6dB的衰减，仅需要15pF的补偿电容；但在同相单位增益电路中，由于反馈环路没有衰减，就需要30pF的补偿电容。由于OP的转换速度（SR）取决于补偿电容的大小， LM101的SR在反相单位增益电路里可以做到同相单位增益电路的2倍。反相电路在同等SR的条件下可以做到跟随器电路的110%。对于一个给定的OP放大器电路，在进行补偿时需要在稳定性和带宽之间进行进行权衡。加大补偿电容可以提高稳定性，但是牺牲了放大器的增益带宽，反之亦然。
上面对失调电压、输入偏置电流的讨论可以适用于绝大多数放大器，在后面的讨论中也会再次涉及，更深入的介绍请参见参考文献4。