電子干貨|運放電路詳細分析及運放選型-KIA MOS管

運放電路分析

先來了解一下運放電路的內部結構和原理，對于我們來說運算放大器是模擬電路中十分重要的元件，它能組成放大、加法、減法、轉換等各種電路，我們可以運用運放的“虛短”和“虛斷”來分析電路，然后應用歐姆定律等電流電壓關系，即可得輸入輸出的放大關系等。

由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的開環電壓放大倍數都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 V。

因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當于“短路”。開環電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等。

“虛短”是指在分析運算放大器處于線性狀態時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。

由于運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠小于輸入端外電路的電流。

故通常可把運放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。“虛斷”是指在分析運放處于線性狀態時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。

下面本文用虛斷和虛斷方法來對實際的電路進行分析，如圖1-1所示，是常見的反相比例運算放大電路：

圖1-1.方向比例運算放大電路

在反相放大電路中，信號電壓通過電阻R1加至運放的反相輸入端，輸出電壓Vo通過反饋電阻Rf反饋到運放的反相輸入端，構成電壓并聯負反饋放大電路。

運放的同相端接地=0V，反相端和同相端虛短，所以也是0V，反相輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那么R1和Rf相當于是串聯的，流過一個串聯電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過Rf的電流是相同的。

根據歐姆定律：

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

在分析電路的過程中，暫時不用管運放的其他特性，就根據虛短和虛斷的特性來分析。當然，若運放不工作在放大區時，不滿足虛短和虛斷發條件，不能使用此種方法來分析，如比較器。

如下圖1-2，是運放實現的加法器，用虛短和虛斷的方法來分析此電路。

圖1-2.運放實現的加法器

由于電路存在虛短，運放的凈輸入電壓vI=0，反相端為虛地。

vI=0，vN=0.......................（5）

反相端輸入電流iI=0的概念，通過R2與R1的電流之和等于通過Rf的電流故

(Vs1 – V-)/R1 (Vs2 – V-)/R2

= (V- –Vo)/Rf.......（6）

如果取R1=R2=R3，由a，b兩式解得

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

式（7）中負號為反相輸入所致，若再接 反相電路，可消去負號。

簡言之，虛短是運放正輸入端和負輸入端的電壓相等，近似短路；虛斷是流入正負輸入端的電流為0。只要掌握了這一點，再運用歐姆定律，即可很容易的分析同相比例放大電路，反向比例放大電路等常用的運放放大電路。

運放選型

下面分類介紹什么情況下選擇什么樣的運放。

1.通用型運算放大器

通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。例mA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放），它們是目前應用 為廣泛的集成運算放大器。

2.精密運算放大器

精密運算放大器一般指失調電壓低于1mV的運放，對于直流輸入信號，輸入失調電壓（VOS）和它的溫漂小就行，但對于交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。

在傳感器類型和（或）其使用環境帶來許多特別要求時，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和（或）在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，運算放大器的選擇就會變得特別困難。

精密放大電路會多一些電源去耦，濾波等特殊設計的電路。主要區別在于運算放大器上，精密運算放大器的性能比一般運放好很多，比如開環放大倍數更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調電壓或失調電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。

好的精密運放的性能遠不是一般運算放大器可以比得，一般運放的失調往往是幾個mV，而精密運放可以小到1uV的水平。要放大微小的信號，必須用精密運放，用了一般的運放，它自身都會帶入很大的干擾。

要通過外圍電路改善，小幅或者微調可以，但無法大幅度或者徹底改變。 常用的精密運放就是OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的還有很多，比如美國AD公司的產品，很多都是OPA帶頭的。

3.高阻型集成運算放大器

高阻型集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid>（109~1012）W，IIB為幾皮安到幾十皮安。

實現這些指標的主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點，用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優點，但輸入失調電壓較大。

常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

4.低溫漂型運算放大器

在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。

常用的高 、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。

5.高速型運放

高速型運放在快速A/D和D/A轉換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合于高速應用的場合的。

高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、mA715等，其SR=50~70V/us，BWG>20MHz。

6.低功耗型運放

低功耗型運放由于電子電路集成化的 大優點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜運算放大器式儀器應用范圍的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。

常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±2V~±18V，消耗電流為50~250mA。目前有的產品功耗已達微瓦級，例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節電池供電。

7.高壓大功率型運算放大器

高壓大功率型運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中，輸出電壓的 大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運放外部必須要加輔助電路。

高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達±150V，mA791集成運放的輸出電流可達1A。

相信通過上面的介紹，對不同使用條件下是否能使用同一種運放，顯然是比較清楚的，實際選擇集成運放時，還應考慮其他因素。

例如信號源的性質，是電壓源還是電流源；負載的性質，集成運放輸出電壓和電流的是否滿足要求；環境條件，集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。

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