运放基础认识及器件选型

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1.什么是运放

（1）概要：

1 P5 i- X* f- |5 r! M1 U: i运放是运算放大器的简称。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。

集成电路运算放大器

种类很多，功能也多，电路也不一致，但是其内部结构框图基本上是一致的。由三部分组成：输入级，中间级，输出级。输入级由差分放大电路组成，利用他的电路对称性可提高整个电路的性能。中间电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可以由一级或多级放大电路组成；输出级的电压增益为1，但能为负责提供一定的功率，电路由两个电源V+和V-供电。整个电路设计成两个输入端P和N，一个输出端O。三端的电压分别用Vp，Vn，和Vo表示，P、N两端分别称为同相输入端和反相输入端，意即当P端加入电压信号Vp（Vn = 0）时，在输出端得到的电压Vo与Vp同相；当在N端加入电压信号Vn(Vp = 0)时，在输出端得到的输出电压Vo与Vp反相。一个世纪的集成运放，P、N与O端的电压信号的之间的关系是确定的。

输出电压Vo与差分放大输入级的两个输入端的关系：
' |9 K, X+ w5 {0 W7 Z
' u' \# ^8 P, K8 Q2 v* ~6 WVo = Av（Vp - Vn）
- M4 u" k$ i& k# S' {8 D（2）模型：
* y$ b. f2 F! E- c7 v/ A
5 N% k; ~6 b  @" C7 `

理想的运放电路分析有两大重要原则贯穿始终，即“虚短”与“虚断”。“虚短”的意思是正端和负端接近短路，即V+=V-,看起来像“短路”;“虚断”的意思是流入正端及负端的电流接近于零，即I+=I-=0,看起来像断路（因为输入阻抗无穷大）。

! @9 l' A( v( K+ `虚短：把两输入端视为等电位；
% o( U, |! y8 K! b' O虚断：把两输出端等效为开路。
- M" T+ R( b6 \: r- H  q- H
2 J3 w# @1 i3 D/ R0 v& j2.运放典型电路模型
. g9 v5 d1 }: L  Y' h（1）反相比例放大
/ W2 F; ]9 m- W2 Q0 p/ b
$ w% A' H( i! J  O7 C* I* }6 w& m
（2）差分放大电路


（3）同相放大电路
2 Q% u# R  E  L/ z& u: h! ]( _5 K
9 N' l$ t; A# b) z* C, N* R6 }. E! T
（4）电压跟随电路

Vout=Vin

（5）仪器放大电路
* q9 q& h3 n: U, n
6 G9 q* {% U- g- ]选值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9（保持电路的对称性），R3为可调电阻，用于调节电路增益。电路输入输出的关系式如下：
6 [4 |; `; D2 O* ~" h9 D
（6）简单比较器
* C! B+ K; c9 ~1 v8 s, F, q
1 x& p& O' I' `0 w% k
" K' ^7 E* V& h) C) Q+ NAv为运放的开环放大倍数（一般为100dB左右，即十万倍）。当V+大于V-时，输出为正饱和（接近VCC，但是无法达到）；当V-大于V+时，输出为负饱和（接近-VSS，但是无法达到）

  k- A1 V+ M: D1 c, e(7)迟滞比较器
0 k. t' c' E: V+ c$ G" w  T& e3 d
相比简单比较器，迟滞比较器只是增加了一个电阻R2。这将引起怎样的微妙变化呢？
通俗地说，R2在输入与输出之间搭起了一座桥梁，输出的变化可以通过R2传递至输入，然后比较器的阈值将随输出的变化而改变，达到了磁滞的目的。

2 v! k# @$ h, o' c+ V# f+ b如果需要定量分析，所有的比较器的原理都是一样的，利用运放的放大倍速为“无穷大”，将V+与V-之间的微弱电压差进行放大，达到饱和输出。

( E* G. j6 E6 C* I8 |9 X0 l设计合适的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于杂波幅值，可以有效的避免因为输入信号上的杂波引起的误操作。
% q! a$ {( I4 V$ k* B! S/ e5 T
3 ^8 I4 Z; W+ B  c1 z+ s
（8）窗口比较器

窗口比较器用于判别输入电压是否落在某一个范围之内，图是典型的窗口比较器。
7 t* b% I$ F1 \2 ^其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止两个运放输出电平相反时损坏运放。比如，运放A1输出VOH，但是运放A2输出VOL,D1导通，但是D2截止，因此电流不会从A1流入A2,避免大电流损坏器件。
1）、Uin>URH>URL，A1输出UOH,A2输出UOL，D1导通，D2截止，Uout=UOH;
2）、Uin<URL<URH，A1输出UOL,A2输出UOH，D1截止，D2导通，Uout=UOH;
/ z" y/ v, Z) n$ H3）、URL< Uin<URH，A1输出UOL,A2输出UOL，D1截止，D2截止，Uout=UOL;

* {& s8 g) ]' _: Y/ l
" a! D* ^0 F! J- X% w5 N2 C; f3.运放实际应用选型及相关参数
7 S7 e$ k0 Z6 q3 w  \8 ?
电压反馈型运放（VF）：电压反馈型放大器的-3DB带宽由R1、RF和跨导gm共同决定，这就是所谓的增益帯宽积的概念，增益增大，带宽成比例下降。同时运放的稳定性有输入阻抗R1和反馈阻抗Rf共同决定。
4 n- n4 D: C* {
5 a( A; \, ~( z, @3 v电压反馈型的运放，增益带宽集是固定的，所以当增益变得很大的时候，带宽裕度就会变小，能够拥有的带宽就变小了，需要捕捉瞬态量的时候，需要运放的带宽有足够的裕度。

$ K) d' x8 c2 U/ U电流反馈型运放（CF）：而对于电流反馈型运放，它的增益和带宽是相互独立的，其-3DB带宽仅由Rf决定，可以通过设定Rf得到不同的带宽。再设定R1得到不同的增益。同时，其稳定性也仅受Rf影响。
5 g2 J9 p9 m2 Y) B9 f) f5 ~（电压反馈型和电流反馈型不细说了，这里先做一个简单的认识）
" |$ \6 k" a+ ?
6 Y- P& Z+ ?  X' X, f2 u1 PFDA：全差分运算放大器（Fully differential amplifiers，FDA)是简单的单极管运算放大器的进阶，通常在电路中，全差分运放会作为运放的第一级，它的作用是用来对输入信号进行预放大，第二级通常会是一个双端输入，单端输出的运放，用来产生较大的增益，进而配合环路完成相应的功能（数字比较器，高速数字接口，远端采样，误差放大器等应用）
' f. ?# C, {, ]/ p% |
SNR:信噪比
THD：运放的总谐波失真（THD）是当运放的输入信号为纯的正弦波时（无谐波的正弦波），运放的输入信号中的各次谐波（2次，3次，至n次）的均方根值，与输出信号基波的RMS值之比
: t) |2 I- ~" S9 m+ ~  ^' \$ u轨到轨运放：所谓轨对轨（rail-to-rail）运算放大器轨对轨放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值
单电源运放：运放 单电源供电指 运放 只用一种电源供电，如DC 5V，DC 12V，单电源供电，输出只有一种电压，如输入 波形 是变化的，输出也只在正电压 波形 变化。

按实际应用分类：
（1）高精度运放
1 W! p( M; V0 ^①称重系统
% q/ q* ]' V1 o4 @/ z# S; P* @2 [5 V选型：OPA2388，高压选择OPA2819，都属于大带宽零温漂运放。
0 [' i/ p& B0 p6 _! n②仪器、实验器材
1 B2 W8 o( M6 U选型：输入阻抗要足够大（MOSFET输入的）
+ U* V/ s0 ^6 A3 v2 w* m( ?# j3 `③高压、半导体测试台
/ `: ]0 F. }7 V- l% ~选型：OPA462
④数据采集卡、通道多噪声要求高的，失真低的
选型：OPA2210
FDA:THP210
⑤仪表放大器，电压、电流、LCD检测，高精度，高共模抑制比
0 O& X* [* ]0 k  z选型：INA821。
7 y# ]$ M& b) y1 ~: w5 ~8 p3 a+ i
+ v) {3 o# C6 M  R（2）高速运放
: ]  K% s2 f9 O( z4 E2 M①ADC Driver
( H0 W" N9 ]# a( M( {; x* M选型：FDA：THS4551、THS4561。
②模拟前端、数字示波器
. z$ e' K' |2 e# Z4 n选型：OPA810/2810(FET)输入阻抗高。
" ^" h" o, H) Z% ]0 b6 q% N③输出Driver
2 y5 j2 C& o$ D1 c2 b选型：THS3491电流反馈型，增益和带宽可以独立。
0 w$ }. T  w# i5 c
（3）比较器产品
①高速、测量领域，对速度有要求的场合
: z5 r) v: ?% ?- B# ?/ q5 R! I' ~选型：TLV2501/2
②低速场合
选型：TLV9032\TLV9022。
③通用，成本低，性价比高
! x% ?$ R8 H$ M0 ^* m选型：LM393B/LM2903B。

（4）通用运放
  M: a! O* W) u  u# j①高压，高侧电压检测
选型：OPAx9919(轨到轨)
②低压场合
" N* \2 s/ n' Z) o8 W/ {1 A9 U选型：OPAx375，OPAx322。
& [+ S5 B( r. S8 S  L% {+ \+ a9 c③通用，成本低，性价比高
选型：LM358B/LM2904B。
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运算放大器 是一个非常神奇的东西。因为，它可以将输入端的电压放大数以万倍。具体理论的放大倍数是：十万倍~百万倍。

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运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路(集成器件)，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力；中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成；输出极与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。运算放大器的应用非常广泛。