运放(运算放大器)的基础知识

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浅谈运放运放是集成运算放大器的简称，它是由十几只乃至近百只晶体管和其他阻容元件构成的，并带有深度负反馈的直接耦合放大器，其内部电路可由图1的方框图表示。40年前第一只运放μA702问世以来．运放已经历了4代。第1代运放只是简单地将分立元件完成的功能用集成方法来制作，效果并不比分立元件好多少，只是体积大大缩小。第2代运放开始采用有源负载，其开环增益最高可达105dB。第3代运放以超β管作为差分输入管，在失调电压、失调电流、开环增益、共模抑制比、温漂等方面都有所进步。第4代运放则是使用大规模集成电路方式，将双极型管和场效应管集成在同一硅片上，使输入阻抗、失调电压、噪声系数、温漂等指标得到进一步改善。现在运放正朝着高速、高压、低功耗，低噪声，高稳定、大功率方向发展。运放的特点及其种别：1．通用型 这类运放无特殊要求，常在普通电路中使用，价格也很低廉，比如μA741、LM324等。2．微偏流(高阻)型 这类运放的输入阻抗极高，常以场效应管作为输入级，其输入偏流低到pA(10-12pA)级，比如AD549、OPAl28等。 3．低功耗型 这类运放自身功耗极低，常以电池供电，其静态耗电有的仅为20μA，比如OP90G、LP324等。4．高精度型 这类运放的失调电压及温漂极小，具有很高的稳定性．对频率特性要求不高，主要用于电子仪器中，比如OP07、OP177等。5．低噪声型 这类运放的特点是噪声电压密度极低，已低至0．85nV／1kHz．主要用于高级音响的前置级，比如AD829、LT1028就属这类运放。6．高速型 这类运放主要用在高频高带宽的电子设备中，通常采用电流负反馈方式，它的转换速率很高，可达2000V／μs以上。比如LM318、EL2030C、AD8001A就属这一类运放。7．电流型 这类运放输出电流大，常用在音频功放及电机驱动电路中，比如TDA2007、LMl875、OPA541等。就OPA541来说，它输出的最大电流可达10A，输出功率达125W。除此以外还有高压型、程控型、跨导型等等，在此不逐一先容。不论哪种运放，它的电路符号均如图2所示，其中图2(a)为正、负双电源供电，图2(b)为单电源供电，其封装有金属封装(B-3型即礼帽式，大功率三极管TO-3型)和塑料封装(扁平封装、双列直插封装、单列直插封装)两种形式，其引脚通常为8脚、9脚，14脚、16脚等几种。根据集成电路封装所包含的运放单元数目，可分为单运放，如TL081，LM318、NE5539等见图3(a)(指塑封类型，下同)；双运放如TL082、LMl58、NE5532、μPC4072／4等见图3(b)(c)；四运放如LM324、TL084、LF347等见图3(d)。 无论哪种运放都有两个输入端，即同相输入端V+，反相输入端V-，一个输出端Uo。它的基本特性：当从同相端输入信号时．其输出与输入端信号同相位，即同相放大；当从反相端输入信号时，其输出与输入端信号相位相反，即反相放大。当从同相输入端和反相输入端同时注入不同信号时，输出端输出的信号是它们的代数和，即差动放大。当同相输入端和反相输入端同时输入同一信号时，输出端无信号，这是由于正、反相放大器放大后的信号由于相位相反，恰好抵消。运放的主要参数有：工作电压、静态工作电流，信噪比、电压最大增益、功耗、输入失调电压、输入失调电流、输入阻抗、输出阻抗、增益带宽积及转换速率等.下面仅解释一下什么是增益带宽积与转换速率。所谓增益带宽积是指运放开环电压放大倍数A=1时，带宽与放大倍数的乘积。对应的带宽频率用fc表示(因工作频率升高，运放的放大倍数降低)，一般通用型可达1MHz，宽带高速运放可达100MHz以上。所谓转换速率是指在额定负载条件下，当输入边沿陡峭为大信号时，运放输出电压的变化与所用时间比值，即输出电压变化率，用SR表示。SR=U02-U01／t2-t1=△UO／△t，单位V／μs(伏／微秒)，见图4，它是反映运放对输入信号的反映速度。 运放作为一种通用电子器件，它的应用很广．比如在放大、振荡、电压比较，模拟运算、阻抗变换，有源滤波等电路中。但不管在哪种电路中应用，均是基于运放的三种基本放大电路：即同相放大器、反相放大器、差动放大器。图5是运放构成的加法器电路，它实际是运放构成的反相放大器。U1、U2是两个相加电压，Uo则是电压和， 当R1=R2=R3时，放大倍数A=1，R4为平衡电阻，用以提供适当偏流以防止放大器失调。图6是运放构成的减法器电路，它是一种差动放大器，U1、U2是两个待减的输入电压，Uo是它们的差，当R1=R2=R3时，其放大倍数A=1，R4为平衡电阻。图7是运放构成的比较器电路，它也是整动放大器的应用，当输入电压U1大于基准电压E时，它的输出端将有电压输出，所以它常用于伺服或保护电路中。图8是运放构成的阻抗变换器电路，它是运放构成的同相放大器，放大倍数A=1的特例。它输出电压与输入电压相等、相位相同，但它却有极高的输入阻抗和较低输出阻抗，故也将它称为电压跟随器。图9是运放构成的电压放大器，其放大倍数由R2、R3共同决定，其中Cl是信号耦合电容，C2是高频旁路电容，R1、R2为偏置电阻，R3为负反馈电阻。图10是运放构成的正弦波振荡器，R1、R2、C1、C2构成正反馈电路，R3、R4、R5构成负反馈电路，二极管D1、D2起稳定振幅的作用。图11是运放构成的二分频电路，它实际是有源滤波器。在图11中，ICl等构成二阶高通滤波器，IC2等构成二阶低通滤波器，它能将前置放大器送来的音频信号分频后，分别送入两个功率放大器放大，然后分别推动高音和低音喇叭放音。以上只是粗略先容了运放的一些典型应用，实际上的应用还很多，在此不再逐一举例。