浅谈运放

只看该作者 · 2012-4-13 14:59

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l的方框图表示。40年前第一只运放uA702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B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、温漂等方面都有所提高。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。运放的特点及其类别：
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，如uA741、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、OPA128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20IuA。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/lkHz．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/us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、LM1875、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，在此不一一介绍。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T0-3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量，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、LM158、NE5532、uPC4072/4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。当同桐输入端和反相输入端同时输入同一信号时，输出端无信号，这是因为正、反相放大器放大后的信号由于相位相反，刚好抵消。

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=l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-UOl/t2-tl=ΔUO/Δt，单位V/us（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o Ul、U2是两个相加电压．Uo则是电压和，当R1=R2=R3时，放大倍数A=l．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．Ul、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=l，R4为平衡电阻。
图7是运放构成的比较器电路，它也是差动放大器的应用，当输入电压Ul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=l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，Rl、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，Rl、R2、Cl、C2构成正反馈电路，R3、R4、R5构成负反馈电路，二极管Dl、D2起稳定振幅的作用。