运放及使用时的注意事项.doc

及使用时的注意事项    集成运算放大器是可以进行运算的直流放大器，但开发它的主要目的是为了进行模拟计算如果放大倍数为1，连1MHZ左右的交流信号也能处理与用分立元件构成的电路相比，它具有稳定性好、电路计算容易、成本低等很多优点，因而被广泛应用于许多领域那么，这种集成运算放大器究竟是怎样构成的呢？本章不打算从深层次角度去解答这一问题，而是从知道后会觉得方便些的想法来探讨它的内部构造在用运算放大器组装电路时，经常会碰到一些麻烦，这时，希望大家能参考本章介绍的关于运算放大器各个方面的注意事项7.1 运算放大器的内部构造7.1.1 集成运算放大器的演变历史     集成运算放大器是线性集成电路中最通用的一种线性集成电路的使用范围很广，但要标准化比较困难而集成运算放大器与整个线性集成电路相比，在使用范围上相对较窄，因而标准化比较容易按照标准化要求，集成运算放大器中有相当大的一部分产品都是非原创品，甚至可以说使用的都是这些非原创品集成运算放大器的第一个实用产品μA702的内部电路如图7.1所示这种集成运算放大器不使用pnp晶体管制作该集成运放具有共模输入电压低、输出振幅小、容易振荡等缺点后来发表了改进这些缺点的μA709产品。

μA709的内部电路如图7.2所示μA709用得很广泛，至今仍在使用但是，μA709有如表7.1所示的许多问题     μA709推出大约3年后，发表了解决这些问题的运算放大器μA741这个产品能进行输出短路保护，消除了锁死现象，可以在内部进行相位补偿，失调补偿可以简单地通过在外部连接可变电阻来进行没有输出短路保护电路需要外接3个元件进行相位补偿,转换速率小， 仅为0.25V/μs,共模输入电压小， 仅为±10V,没有用于失调补偿的端子,差动输入电压小， 仅为±5V,常常发生锁死现象.    就在同一时期，国家半导体公司发表了LM301产品这个产品差不多与μA741具有相同的特性，但相位补偿需要在外面连接一个电容器，通过改变这个电容器的值来改变带宽，也可以通过前馈相位补偿的方法来扩展带宽，因此有比μA741容易使用的地方图7.3和图7.4分别是μA741和LM301的内部电路图其他的运算放大器可以说大多数是以μA741为基础，进行了高性能化（高精度、高输入阻抗、宽频带、低漂移、小偏置电流、功率微型化、可编程）、复合化（双重、四重）的改造此外，诺顿运算放大器（电流差动输入运算放大器）也发表了几种。

将运算放大器设计成采用单电源而不是双电源的产品也很多以上谈的是单片运算放大器，非单片混合运算放大器也发表了很多7.1.2 运算放大器电路的基本构成     芯片内制作线圈几乎不可能，电容器也只能制作小容量（几十皮法左右就达到了制作限度）的所以，运算放大器也就是用晶体管和电阻构成的直接耦合放大器（直流放大器）它的构成可用图7.5的方框图来表示7.2 运算放大器输入级电路7.2.1 差动放大器     开发运算放大器的主要目的是为了模拟计算机的运算放大，电路采用直流耦合（如果从制造工艺的角度来考察线性集成电路的话，制作大容量的电容器很困难，电路不得不采用直流耦合，另外制作线圈也很困难）这种直流耦合与电容器耦合（交流耦合）相比，不仅能直流放大，而且高频特性也不坏，所以常常被模拟信号系统中的自动控制部分所采用直流耦合放大器（直流放大器）的输入级采用差动放大电路图7.6就是输入级的基本电路1） 差动放大器的工作原理    在图7.6中，Q1、Q2的集电极与负载电阻相接，两个发射极被连在一起后，与恒流源相接Q1、Q2的发射极电流Ie1+Ie2=IE，而IE为恒流源于是，一方Ie为IE与另一方Ie之差，所以称它为差动放大器。

    输入信号加到in1和in2中，输出Vout可从out1、out2获取这时输出与输入之比称为差动增益在单端输入情况下，输入信号加到in1或in2与地之间，不用的输入端子与地相接如果这时将输入端晶体管的集电极与地之间的电压作为输出，则与差动输入相比，能获得Vout/2的输出电压V1=V2=VC时的输入称为共模输入，噪声等就相当于这种输入尽管理论上共模输入时集电极之间的输出Vout不会出现，但实际上各个集电极与地之间会有输出出现假设在共模输入情况下集电极和地之间的输出电压关系为Vout1=Vout2=VC0，则VCO和VC之比称为共模增益运算放大器都尽量使共模增益变小要想减小共模增益则应加大图7.6中恒流源的输出电阻RE如果RE采用电阻器，则电阻值不能做得很大，而采用恒流源可制作所需大小的RE2) 差动放大器的特征    差动放大器与图7.7的一般放大器相比，差动放大器使用的晶体管的数目要多几个，但稳定非常好，在使用时可以不必担心稳定系数，能进行直流放大，有很强的抑制共模输入（噪声）能力等，优点很多但是，也存在着一些缺点，如电源需要两个（若只是交流放大，单个也可以），电源的利用率低等。

图7.7为电流放大，而差动放大器是电压放大由于差动放大器基极也需要有电流流入，所以输入电阻不如使用FET等元件那么大，但还是比单个晶体管放大器的输入电阻大7.2.2 恒流源     为了使运算放大器输入级电路（即差动放大器）的共模增益变小，必须使接在差动放大器发射极的电阻变大但这样做会使差动增益发生变化，所以一般用恒流源取代电阻要制作稳定性好的差动放大器就必须要有稳定性好的恒流源图7.8为恒流源的基本电路通过R1、R2将恒定电压加到差放的是晶体管基极上使其集电极电流恒定不变图7.9是在运算放大器中使用的各种恒流电路LM301等使用的恒流电路是利用镜像效应来达到恒流效果的下面说明图7.10的电流镜像电路中IO≈IB的原因IB=IB1+IB2+IC由于两个晶体管特性相同，所以IB1=IB2=IB＇，hfe1=hfe2=hfeIB=2IB＇+IC IC=hfe·IB＇IB=2IB＇+hfe·IB＇因此,IO=hfe·IB＇←用IB＇替代IB1所以,IO=hfe·IB/(2+hfe)若hfe》2,则IO≈IB7.2.3 用晶体管制作的二极管     在集成运算放大器中，二极管多数情况是用来产生电平移动和偏压。

电路中并不直接采用二极管，而是将制作好的晶体管连接成二极管（这个与集成电路的制造工艺以及二极管正向压降和晶体管VBE之间的关系等有关）图7.11是用晶体管制作二极管的几种连线方法7.3 中间级和输出级电路7.3.1 将差动输出变成单端输出     差动放大器的输出是从两个晶体管的集电极中获得的，而下一级放大器如只有一个输入端，这之间究竟应该怎样连接在一起呢？图7.13是一个双端变单端的转换电路无差动输入时，Tr2和Tr3都有相同的集电极电流IC流入假如有差动输入，则Tr2的集电极电流变成IC+△IC2，而Tr3的集电极电流变成IC+△IC3△IC2的变化将会引起Tr2的集电极产生△V2的电压变化然而Tr2的VCB等于Tr1的VBE，是一个固定值，所以Tr2的基极电位也会产生△V2的变化Tr3的基极电位也变化△V2，从而导致集电极电流由△V2产生的△IC2的变化这样就可以将△IC2-△IC3的变化量传递给单端输入放大器这个电路也采用了电流镜效应图7.14的虚线部分与图7.13电路相对应7.3.2 输出电路     运算放大器的输出电路要求输出阻抗低（理想情况下为零），失真小，输出电压振幅大。

    早期的运算放大器μA702采用的是如图7.15所示的射极跟随器，达到了输出阻抗低的要求但是这种电路不能产生很大振幅的输出电压后来μA709就变成了图7.16所示的互补射极跟随器由于它工作在B类状态会产生交叉失真，于是就通过用R15施加负反馈（NFB）来减少这种失真LM301、μA741等运算放大器采用的是图7.17、图7.18所示的二极管和电平移动电路构成的AB类工作的互补电路所以它们的输出阻抗低，可以获得失真小的大振幅电压7.3.3 过量电流限制电路     当输出端子的连接错误造成短路时，或者出现超出规格以上的输出电流时，运算放大器会受到损坏μA702、μA709没有接入保护电路但是近年来的运算放大器都已接入过量电流限制电路那么过量电流限制电路究竟是一个什么样的电路呢？图7.19就是一个过量电流限制电路，图7.20是它的原理图    在图7.20中，随着IO的变大，RS两端的压降也会增加当这个电压超过Tr2的VBE时，Tr2开始工作IB中就会有一部分电流IC2流入Tr2，使得Tr1的基极电流减少，IC1即IO也会减少这就是过量电流的限制原理这种原理不仅可以应用于运算放大器，而且也可以应用于稳压电源的过量电流限制。

这种电流限制特性叫垂下特性（或称限流特性），其他还有如图7.21所示的减流特性过量电流限制电路7.4 选择运算放大器的要点7.4.1 关于运算放大器的选择     在使用运算放大器时，除了什么品种都无所谓的情况外，应必须对品种进行挑选首先决定想要制作的电路，然后考虑电路的功能、所需的性能等，最后进入集成电路挑选阶段一般不要选择比所需性能还要高的品种产品性能越高，成本也越高，使用时必须注意的事项也就越多选择通用且有很多非原创品的品种不仅成本低，而且也容易购到那么挑选要点究竟是什么呢？下面就几个具有代表性的参数进行说明1） 频率与增益看一下运算放大器的规格表，就会看到写有开环电压增益AOL=200000倍（106dB）等数据只看这个数据就会觉得这是一个具有很大电压增益的放大器但另一方面，规格表上画有如图7.22所示频率与开环电压增益的曲线由图7.22可知，要保持增益很大，频率需限定在10HZ左右随着频率的增高，增益以1/10（-20dB/10倍频程）的比例下降也就是说，增益很大是针对直流而言的图7.23所示的运算放大器加反馈后闭环增益为40dB（约100倍）从图7.22可看出，在40 dB的范围内可使用的频率为10kHz。

在10HZ以上频率每上升10倍增益就下降10倍，这是无反馈的情况从图7.23可求得加反馈后闭环增益为40 dB可使用的上限频率是多少呢？由图7.23可得反馈系数β=R1/（R1+R2）≈0.01，从而得环路增益A=β·AOL≈2000根据图7.22可以画出这一环路增益变成了1倍（0 dB），40 dB可使用频率上限为100HZ这一点需要引起注意下面说明符合使用要求的开环电压增益AOL的求解方法按照FC规格表，假定直流闭环增益为y，在最大工作频率之处的增益下降率为χ，那么AOL≥（Y+1）（1-χ）/χ.（2） 转换速率关于转换速率前面已经说明过，这里再重新概括一下如果将运算放大器当作电压跟随器来输入方形脉冲，则会有如图7.25所示的输出这当中输出电压产生的延迟量，即△V/△t(V/μs)被定义为转换速率表7.1所示；罗列了一部分通用运算放大器的转换速率这里必须注意的是，性能会因厂家的不同而不同当闭环增益发生改变时转换速率会发生大幅度的变化，还会随电源电压和温度的变化而变化（温度上升，转换速率趋于下降）在采用外部补偿的运算放大器中，通过外部补偿的方法甚至可以得到比标准补偿大20倍左右的转换速率，所以要仔细查看规格表。

图7.26所示表示了正弦波通过不同转换速率的放大器后得到的输出波形不难看出，转换速率大的响应好3） 失调电压、电流运算放大器作为交流放大器使用一般不会产生问题，但是在处理像热功率放大等之类的直流微小信号时会产生问题现在让我们考虑一下如图7.27所示的电路如果用VOS、IB等对电路产生影响的参数来表示输出电压，则在图7.27(a)中Vout=(1+R2/R1)VOS+IOSR2在图7.。