运算放大器的参数、选型与应用-学习笔记

文章目录

前言
一、运放基本知识
- [1.1 通用运放与专用运放](#1.1 通用运放与专用运放)
- [1.2 运算放大器简介](#1.2 运算放大器简介)
- [1.3 虚短与虚断](#1.3 虚短与虚断)
- [1.4 理想运放](#1.4 理想运放)
二、运放参数详解
- [2.1 供电电压](#2.1 供电电压)
- [2.2 输入偏置电流](#2.2 输入偏置电流)
- [2.3 噪声 V n V_n Vn](#2.3 噪声 V n V_n Vn)
- [2.4 静态电流 I Q I_Q IQ](#2.4 静态电流 I Q I_Q IQ)
- [2.5 输入失调电压 V O S V_{OS} VOS](#2.5 输入失调电压 V O S V_{OS} VOS)
- [2.6 增益带宽积 (GBW也叫GBP)](#2.6 增益带宽积 (GBW也叫GBP))
- [2.7 电压转换速率(Slew Rate)](#2.7 电压转换速率(Slew Rate))
- [2.8 轨到轨](#2.8 轨到轨)
三、运放的工艺及TI运放选型
总结

前言

运算放大器 （Operational Amplifier，简称 Op-Amp 或运放）是模拟电路设计中最核心、最通用的器件之一。

简单来说，它是一个高增益、直流耦合的电压放大器。它最早是在模拟计算机时代被发明出来的，用来进行加法、减法、积分、微分等"运算"，因此得名。

本文作为学习笔记，参考"B站UP 唐老师讲电赛"的视频内容所写。

一、运放基本知识

运算放大器（Op-Amp）是由许多个三极管（BJT）或 MOS管组成的集成电路（IC）。

1.1 通用运放与专用运放

运放按功能分为 通用运放 与 专用运放。

通用运放 就像家用轿车------便宜、耐造、什么路都能跑，但跑不快，拉货也不多。
专用运放就像F1赛车、重型卡车或精密探测车------在某一方面性能极强，但价格贵，且可能很难伺候。

通用运放 是指那些参数指标比较均衡、没有明显短板、价格低廉、适用于大多数非关键性应用的运放。性价比极高，不容易损坏，电路设计简单，不需要太复杂的补偿；只要不是高频、微弱信号或高精度场合，它都能胜任。。

专用运放 是为了解决特定领域的难题而设计的，通常通过牺牲某些参数来换取在某一项指标上的极致性能。

根据侧重点不同，专用运放主要分为以下几类：

高精度/低失调运放 (Precision / Low Offset) ：通用运放有几毫伏的误差（失调电压），这对于放大微弱信号（如微伏级的传感器信号）是致命的。而高精度/低失调运放具有低失调电压，低温漂的特点。
高速/宽带运放 (High Speed / Wide Bandwidth) ：通用运放处理不了高频信号（比如 1MHz 以上），输出波形会严重失真或变成三角波。高速/宽带运放具有高增益带宽积和高压摆率。
低噪声/音频运放 (Low Noise / Audio) ：在Hi-Fi音响中，通用运放会引入"嘶嘶"的底噪，影响音质。而低噪声/音频运放不仅失真度（THD）极低，而且电压噪声密度极低。
低功耗运放 (Low Power / Micropower) ：电池供电的设备（如手环），通用运放耗电太快。而低功耗运放静态电流( I q I_q Iq)极小，通常在 μA (微安) 甚至 nA (纳安) 级别。但代价通常是速度变慢。
功率/高压运放 (Power / High Voltage)：普通运放输出电流只有几十毫安，电压不能超过几十伏，带不动负载。而功率/高压运放耐高压、通大电流。

1.2 运算放大器简介

运放按单颗 IC 封装的运放数目分为，单运放、双运放(最主流) 、四运放等形式。

在电路图中，运放通常画成一个三角形。

运放至少有五个引脚
输入端 ：
V + V_+ V+ (同相输入端 Non-inverting Input )：信号由此输入，输出信号相位不变。
V − V_- V− (反相输入端 Inverting Input )：信号由此输入，输出信号相位翻转（变负）。
输出端 ：通常有一个 V o u t V_{out} Vout.
电源端 ：需要正电源 ( V C C + V_{CC+} VCC+)和负电源( V E E − / G N D V_{EE-} / GND VEE−/GND)供电。

运放的基本功能是放大两个输入端之间的电压差 ，公式表达为
V o u t = A o l × （ V + − V − ） V_{out} = A_{ol} \times （V_{+} - V_{-}） Vout=Aol×（V+−V−）

其中 A o l A_{ol} Aol 是开环增益，通常极大（十万倍甚至百万倍）。

NC(Not Connected)，内部无连接，空引脚
为什么会有NC？
凑管脚 ：比如标准封装是 8 个脚，但单运放只需要 5 个脚就能工作，剩下的 3 个脚没处接，就悬空，标为 NC。
散热或隔离：有时候为了散热或隔离信号，也会留出 NC。

调零电路，是针对单运放（特别是老式或高精度单运放）的一个特殊功能

在现实中，由于生产工艺的微小偏差，即使你把运放的两个输入端都接地( V + = V − = 0 V_{+}=V_{-}=0 V+=V−=0)，输出端往往不是 0V，而是会有几毫伏的电压。这叫输入失调电压 (Input Offset Voltage)。

对于高精度测量（比如测微伏级的信号），这几毫伏的误差是不可接受的，所以需要手动把它"归零"。

如何调零?

大多数支持调零的 8 脚单运放会有两个引脚标为 Offset Null （通常是 1 脚和 5 脚，或者是 1 脚和 8 脚）。

1)在这两个调零引脚之间接一个电位器（滑动变阻器）的两端（通常是 10kΩ 或 20kΩ，具体看手册）；

2)电位器的中间抽头（滑片）接负电源( V E E V_{EE} VEE)；

3)将运放输入端短路接地，用万用表测输出端电压，用螺丝刀拧电位器，直到输出电压变为 0V

1.3 虚短与虚断

在分析带有深度负反馈（输出端连回反相输入端）的线性运放电路时，我们依靠两条黄金规则：

虚断：因为输入阻抗无穷大，没有电流流进或流出输入端 ( I + = I − = 0 I_{+} = I_{-} = 0 I+=I−=0)。
虚短：在深度负反馈下，为了保持平衡，运放会自动调节输出，使得两个输入端的电压相等 ( V + = V − V_{+} = V_{-} V+=V−)。

1.4 理想运放

我们在使用运放前一定要看数据手册，不要想当然

为了方便电路分析，工程师总结出了"理想运放"模型。虽然现实中不存在完美的运放，但这个模型能解决90%的分析问题。

理想运放的特性：

无限大的输入阻抗( Z i n = ∞ Z_{in} = \infty Zin=∞)：电流无法流入输入端。
无限大的开环增益( A o l = ∞ A_{ol} = \infty Aol=∞)：只要有微小的输入差，输出就会饱和（除非有负反馈）。
零输出阻抗( Z o u t = 0 Z_{out} = 0 Zout=0)：带负载能力无限强。
无限大的带宽：能放大任何频率的信号。

实际的运算放大器如上图所示

典型应用：

电压跟随器 ：阻抗匹配。它输入阻抗极高，输出阻抗极低，像一个"隔离墙"，防止后级电路拉低前级信号。
同相放大器：输出信号与输入同相位，放大倍数永远大于1
反相放大器：输出信号反相（正变负），可以实现小于1的衰减或大于1的放大。
比较器 ：如果 V + > V − V_{+}>V_{-} V+>V−，输出正电源电压；如果 V − > V + V_{-}>V_{+} V−>V+，输出负电源电压

二、运放参数详解

读懂运放生产商提供的DATASHEET是用好一款运放的先决条件，我们需要关注以下参数（现实与理想的差距）

2.1 供电电压

某些运放可以使用单电源供电，某些运放需要双电源供电，有些运放供电电压可能高达 ± 600 V \pm 600V ±600V

双电源供电的运放，正负电源尽量同时加入，否则容易损坏运放；且不要带电接线、拔线或改线等。

供电电压：是单电源（如 40V）还是双电源（如 ±20V），供电电压要留有裕量。

2.2 输入偏置电流

精密电流检测及其他需要低IB场合（如光电二极管检测光的强度，光电二极管的电流很小）

理想运放的输入端是不吃电流的（虚断），但现实中的运放输入端必须"吃"一点点电流才能工作。这一点点电流就是输入偏置电流。

它是怎么产生的？

运放的输入级是由晶体管（三极管或MOS管）构成的。为了让这些晶体管处于"导通"或"线性放大"状态，它们必须有一定的基极电流或栅极漏电流。

输入偏置电流通常定义为流入（或流出）两个输入端电流的平均值
I b = I B + + I B − 2 I_b = \frac{I_{B+} + I_{B-}}{2} Ib=2IB++IB−

输入偏置电流会转化为输入失调电压，导致测量误差。外部电阻越大，误差越大。

如何消除偏置电流的影响?

法一：由于 I b I_{b} Ib引起的误差，使用"匹配电阻"消除

运放放大的是两端电压的差值。如果我们在正负两个输入端都串联上等效阻值相同的电阻，那么偏置电流在两端产生的电压降就会相等

在同相放大器或反相放大器电路中，通常同相输入端 ( V + V_+ V+) 是直接接地的。为了消除误差，不要直接接地，而是串联一个补偿电阻( R c o m p R_{comp} Rcomp)再接地。

电阻取值公式:

R c o m p = R 1 / / R f = R 1 × R f R 1 + R f R_{comp} = R_1 // R_f = \frac{R_1\times R_f}{R_1 + R_f} Rcomp=R1//Rf=R1+RfR1×Rf

即：补偿电阻 = 输入电阻并联反馈电阻。

法二：直接选用低偏置电流运放

如果连接的是 pH电极、光电管等**高内阻传感器，直接上 CMOS 运放（如 AD8605, OPA340 等）， I b I_b Ib只有1pA，哪怕电阻有1GΩ，误差也只有1mV，完全可以忽略，根本不需要配那个补偿电阻。

2.3 噪声 V n V_n Vn

运放的噪声 由芯片内部晶体管电子的无规则热运动产生的，无法完全消除，只能尽量减小。在放大小信号时，必须选用低噪声运放。

大部分运放的噪声主要是白噪声和 1 / f 1/f 1/f 噪声两部分，其中白噪声与频率无关， 1 / f 1/f 1/f 噪声则与频率有关，所以才有 @ 1 k H z @1kHz @1kHz 这种说法。

2.4 静态电流 I Q I_Q IQ

运放在没有负载情况下的待机电流或者建立静态工作点的电流，越小越好。

要求低功耗的场合（如便携式设备）要特别关注此指标，一般低功耗运放，其它指标略差。

2.5 输入失调电压 V O S V_{OS} VOS

输入失调电压（Input Offset Voltage，简称 V O S V_{OS} VOS）,它描述了理想运放和实际运放在"零输入"时的差距。

理想情况 ：如果我们将运放的两个输入端（同相端 V + V_+ V+ 和反相端 V − V_- V−）都接地（即输入差值为 0），理想运放的输出电压应该完全是 0V。
实际情况：在现实中，即使两个输入端都接地，输出端通常不会是 0V，而是会有一个非零的电压（可能是正，也可能是负）。

为了让输出电压真正变为 0V，我们需要在两个输入端之间强行施加一个微小的补偿电压。这个为了让输出归零而施加在输入端的电压差，就叫做输入失调电压( V O S V_{OS} VOS)。 一般 V O S V_{OS} VOS约为（1~10）mV，高质量运放 V O S V_{OS} VOS 在1mV以下。

如何消除输入失调电压 V O S V_{OS} VOS?

单运放自带调零引脚，按照Datasheet给出的方法就能调零。

多通道运放由于没有专门的调零引脚，可以通过加法器实现调零，具体方法参见《OP放大电路的设计》p34-35。

2.6 增益带宽积 (GBW也叫GBP)

增益带宽积（Gain-Bandwidth Product，简称 GBW 或 GBP）是运算放大器描述高频性能最重要的参数之一。

当运算放大器在小信号( V p p V_{pp} Vpp在1V以下的信号)环境下应用时，电压反馈运算放大器的带宽和增益的乘积是一个定值，即等于增益带宽积。

G B W > = ( 10 − 100 ) × g a i n × f GBW >= (10-100) \times gain \times f GBW>=(10−100)×gain×f

gain为放大倍数，f单位为MHz代入

选型举例：

如果想把一个电压最大值为1V，频率为1MHz的正弦波放大6倍，应该选用GBW为多大的运放？
G B W > = ( 10 − 100 ) × 6 × 1 = 60 − 600 M H z GBW>=(10-100) \times 6 \times 1 = 60-600MHz GBW>=(10−100)×6×1=60−600MHz

2.7 电压转换速率(Slew Rate)

压摆率（Slew Rate，简称 SR），中文常称为电压转换速率。

"增益带宽积 (GBW)"决定了运放处理小信号的频率响应，那么**"压摆率 (SR)"则决定了运放处理大信号时的反应速度**。

什么是压摆率？

当给运放输入一个瞬间的阶跃信号（比如从 0V 突然变到 5V），理想运放的输出也应该瞬间变到 5V。
但在现实中，运放的输出电压无法瞬间突变，它只能像爬坡一样，以一定的斜率线性上升。这个电压上升（或下降）的最大速度，就是压摆率。

压摆率是由运放内部的补偿电容引起的，压摆率不足会导致波形畸变，如果信号变化太快，超过了运放的压摆率，输出波形就会"跟不上"，从而发生失真。

压摆率：在1微秒或者1纳秒等时间里电压升高的幅度，直观上讲就是方波电压由波谷升到波峰所需时间，单位通常为 V / s , V / m s , V / u s , V / n s V/s,V/ms,V/us,V/ns V/s,V/ms,V/us,V/ns。
S R > = 2 π f × V o m SR>= 2 \pi f\times V_{om} SR>=2πf×Vom
V o m V_{om} Vom为输出电压幅度，单位为V，f单位为MHz带入

选型举例：

如果想把一个电压最大值为1V，频率为1MHz的正弦波放大6倍，应该选用SR为多大的运放？
S R > = 2 × 3.14 × 1 × 6 = 37.68 SR>=2 \times 3.14 \times 1 \times 6 = 37.68 SR>=2×3.14×1×6=37.68

选择合适的GBW和SR时，还要考虑供电电压的范围，解决方案如下：

更换GBW 和SR更高的运放
采用多级放大，比如需要放大100倍，可以用两级放大，第一级放大10倍，第二级可以再放大10倍
采用电流反馈型运放，电流反馈型运放拥有更高的GBW和SR，但是电流反馈型运放容易振荡，要严格按照DATASHEET上面的要求来设计电路

2.8 轨到轨

"轨到轨"（Rail-to-Rail）指的是运放的输入或输出电压范围能够几乎贴到电源电压的上下限。上轨：正电源电压( V C C V_{CC} VCC或 V D D V_{DD} VDD)；下轨：负电源电压或地( V E E V_{EE} VEE或 V S S V_{SS} VSS、GND，例如 0V 或 -5V).

为什么要"轨到轨"?

传统运放的输出电压通常无法达到电源电压。它的最高输出可能只有 3.5V（比 5V 低 1.5V），最低输出可能只有 1.5V（或者像 LM358 可以低至 0V，但高电平去不了 5V）。

你的 5V 电源，实际能用的"线性工作区"只有中间的一小段。这在早年 ± 15 V \pm15V ±15V供电时代不是问题（少了 2V 还有 28V 可用），但在现代 3.3V 或 1.8V 低压系统中，如果再扣掉 1.5V 的压降，信号就几乎没空间摆动了。

轨到轨运放就是为了解决这个问题而生的，它能最大限度地利用电源电压。
情况一：轨到轨输出 (Rail-to-Rail Output, RRO)

含义：输出电压可以非常接近电源的正负极。

能力：比如 5V 供电，输出可以达到 0.05 V 0.05V 0.05V ~ 4.95 V 4.95V 4.95V

注意：输入端可能不具备轨到轨能力。

情况二：轨到轨输入 (Rail-to-Rail Input, RRI)

含义：运放能正常处理的共模输入电压 范围覆盖了电源轨。

能力：输入引脚的电压可以是 0V，也可以是 5V，运放都能正常工作，不会发生相位翻转（Phase Reversal）或截止。

注意：很多传统运放（如 TL072），如果输入电压太接近电源轨，运放会"罢工"甚至输出错误的极性。

情况三：轨到轨输入/输出 (Rail-to-Rail Input/Output, RRIO)