运算放大器的八大注意事项

周三, 21 十一月 2018 - 10:24

运算放大器最初诞生时是用来作为各种模拟信号的运算，这个名字后来一直沿用至今，但是现在已经不仅仅是所谓的“运算”了，如今它充当的角色更多的是“信号调理兼放大”。信号放大可以说是对模拟信号最基本的处理了，放大的本质是能量的控制和转换，它在输入信号的作用下，通过放大电路将直流电源的能量转化成负载所获得的能量，使得负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量，这也就说明，负载上总是获得比输入信号大得多的电压或者电流，有时这两种情况都发生。

以下是我们在使用运算放大器时需要注意的几个重要问题，我争取用最简单的原理图以“看图说话”的方式来说清楚我要表达的意思，以免给工程师朋友带来不必要的视觉疲劳。

1、首先应该好好理解运放的最简模型         
从运放的原理来说，我们可以将运放看成是一个压控电压源，其中，运放的输出由受控电压源提供，而受控电压源的控制电压就是输入端的差分电压，如下图所示：
<img alt="首先应该好好理解运放的最简模型 " data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="83fbb25e-fd77-4adc-aa9c-d1bb42f1d969" src="/sites/default/files/inline-images/1%E3%80%81%E9%A6%96%E5%85%88%E5%BA%94%E8%AF%A5%E5%A5%BD%E5%A5%BD%E7%90%86%E8%A7%A3%E8%BF%90%E6%94%BE%E7%9A%84%E6%9C%80%E7%AE%80%E6%A8%A1%E5%9E%8B.gif" />
2、运放输出端的电流约束仍然遵循Kirchhoff电流定律       
<img alt="运放输出端的电流约束仍然遵循Kirchhoff电流定律 " data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="0ad6d37d-feef-45a5-8a82-e2bcb0fa3ab1" src="/sites/default/files/inline-images/2%E3%80%81%E8%BF%90%E6%94%BE%E8%BE%93%E5%87%BA%E7%AB%AF%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%B5%81%E7%BA%A6%E6%9D%9F%E4%BB%8D%E7%84%B6%E9%81%B5%E5%BE%AAKirchhoff%E7%94%B5%E6%B5%81%E5%AE%9A%E5%BE%8B.gif" />
这里不能认为流过反馈电阻Rf的电流和流过负载电阻RL的电流是相等的，因为电流i是“有机会”流入运放的输出端的，这是由芯片内部的构造决定的，尤其是高精度应用时应该好好提防这一点。

3、使用运放时需要注意由电阻自身杂散电容而产生的影响       
<img alt="使用运放时需要注意由电阻自身杂散电容而产生的影响 " data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5d8b16df-6ebe-4da4-9680-597f15be54a3" src="/sites/default/files/inline-images/3%E3%80%81%E4%BD%BF%E7%94%A8%E8%BF%90%E6%94%BE%E6%97%B6%E9%9C%80%E8%A6%81%E6%B3%A8%E6%84%8F%E7%94%B1%E7%94%B5%E9%98%BB%E8%87%AA%E8%BA%AB%E6%9D%82%E6%95%A3%E7%94%B5%E5%AE%B9%E8%80%8C%E4%BA%A7%E7%94%9F%E7%9A%84%E5%BD%B1%E5%93%8D.gif" />
这个反向比例运算电路的增益函数如下：
<img alt="运算电路的增益函数" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="45ec4fc3-fc92-4dbb-a001-e74bdccac908" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%8F%8D%E5%90%91%E6%AF%94%E4%BE%8B%E8%BF%90%E7%AE%97%E7%94%B5%E8%B7%AF%E7%9A%84%E5%A2%9E%E7%9B%8A%E5%87%BD%E6%95%B0-3.1.gif" />
这里，C1会使得频率特性出现尖峰脉冲，而C2会使得高频领域的增益下降，从而导致频率特性恶化！对于一般的低频应用而言，这个因素是可以“视而不见”的，但是如果需要低噪声环境的话，就需要尽量减小Ri和Rf的阻值，因为这样可以减小杂散电容的影响，或者干脆使用高精度的电阻也行，如果开发成本允许的话。

4、对于反馈系数的量化问题不应该含糊 
<img alt="对于反馈系数的量化问题不应该含糊" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d9b1a5e0-edc3-45d4-9eaa-168ddcd98e95" src="/sites/default/files/inline-images/4%E3%80%81%E5%AF%B9%E4%BA%8E%E5%8F%8D%E9%A6%88%E7%B3%BB%E6%95%B0%E7%9A%84%E9%87%8F%E5%8C%96%E9%97%AE%E9%A2%98%E4%B8%8D%E5%BA%94%E8%AF%A5%E5%90%AB%E7%B3%8A.gif" />
 
 从这两个图可以看出，虽然他们的增益绝对值是一样的，都是1，说白了这两个电路都可以看作是一个电压跟随器。显然图（b）的负反馈系数要大，性能应该会更好，但是它防止振荡的能力却不如图（a）的电路，因为它对于信号的变化过于“敏感”。所以在实际设计电路时，对于反馈系数的量化问题是不能含糊的，它很大程度地决定了系统的“稳”、“快”、“准”这三个方面。最终的电路设计应该是这三个方面的折中，以此达到传说中的性能最优化。

5、单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题  
<img alt="单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题 " data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="00d000e6-170f-4f98-bd4c-c20c6e4fdb9d" src="/sites/default/files/inline-images/5%E3%80%81%E5%8D%95%E7%94%B5%E6%BA%90%E4%BE%9B%E7%94%B5%E6%97%B6%E9%9C%80%E6%B3%A8%E6%84%8F%E8%BE%93%E5%87%BA%E7%94%B5%E5%8E%8B%E6%91%86%E5%B9%85%E7%9A%84%E9%97%AE%E9%A2%98.gif" />

如上图所示，由于是单电源供电，那么运放的两个输入端必须加有直流偏压，而且为了使电路的输出电压的动态范围最大化，一般要求VP=VN=VCC/2。此外，这里运放的输入、输出端的直流电位不为零，So，需要采用电容（C1、C2）来耦合信号。

6、得注意运放的输入寄生电容   
<img alt="得注意运放的输入寄生电容 " data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6500c0da-ffd5-40c2-a3a2-67e76612011a" src="/sites/default/files/inline-images/6%E3%80%81%E5%BE%97%E6%B3%A8%E6%84%8F%E8%BF%90%E6%94%BE%E7%9A%84%E8%BE%93%E5%85%A5%E5%AF%84%E7%94%9F%E7%94%B5%E5%AE%B9.gif" />
由于运放的内部结构因素，导致运放具有数pF~数十pF的输入寄生电容，这自然使得运放的稳定性变差了，输入寄生电容会和输入电阻一起形成一个容易被人忽略的LPF，倘若输入信号的频率超过一定值，则就会丢失信息。这个频率值函数为：   
<img alt="频率值函数" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="61f63118-937d-4146-9d7c-cfa8c0b18f06" src="/sites/default/files/inline-images/%E9%A2%91%E7%8E%87%E5%80%BC%E5%87%BD%E6%95%B06-1.gif" />
为了解决这个问题，一般采用如下电路所示的方法：
<img alt="电路" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d245e415-f01f-457d-a114-7fc9d5d817c3" src="/sites/default/files/inline-images/%E7%94%B5%E8%B7%AF6-2.gif" />
由于输入寄生电容使得相位滞后，因此可以用超前相位的补偿来防止振荡，上图中的CF有相位超前的作用，有效地解决了寄生电容所带来的问题。通常CF取值要稍大于Ci。

7、需要防止运放进入非线性区，除非该运放用于比较器电路     
<img alt="需要防止运放进入非线性区，除非该运放用于比较器电路 " data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="eeb535e2-6998-40a9-81b2-2050affed34f" src="/sites/default/files/inline-images/%E6%AF%94%E8%BE%83%E5%99%A8%E7%94%B5%E8%B7%AF-7.gif" />
这是一个很普通的积分电路。如果输入信号的频率过低的话，则没有反馈回路了，即此时电路处于开环状态，也就意味着运放的电压增益非常大，输出电压将极易进入非线性区，就失去信号放大的意义了。为此，我们可以在电容两端并联一个电阻来加以限制运放的增益。如下图
<img alt="运放的增益" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="bdfe7721-c693-4423-8ce2-9e0e918a4107" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%BF%90%E6%94%BE%E7%9A%84%E5%A2%9E%E7%9B%8A.gif" />
8、对于输出电阻应该知道是怎么回事       
<img alt="输出电阻" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dde59f4a-4f9d-47e4-a3ff-c042e68e5e68" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%BE%93%E5%87%BA%E7%94%B5%E9%98%BB-8.gif" />
 
 对于图（a）来说，输出电阻由R决定，而对于图（b）来说，由于R放在反馈电路内部，所以它的输出阻抗非常低，驱动能力比图（a）所示电路显然要好。

以上只是运算放大器的使用注意事项中的几个点，更多的得需要我们在实践中不断总结，不断积累，以及借鉴前人的经验，只有这样，我们才能更好地认识和运用运算放大器，才有可能把前端信号调理地更好。

文章转载自：<a href="https://forum.mianbaoban.cn/topic/68016_1_1.html">面包板</a>