運算放大器使用指南

運算放大器使用指南：我們知道，通用OP工作在這樣的情況下：在接入負反饋環路后，OP和反饋環路的特性僅由反饋環路來決定。為了得到這樣的特性，理想OP應該有無限大的輸入阻抗，0輸出內阻抗，無限大的增益，無限大的開環增益帶寬（3dB帶寬），以及其6dB/每2倍頻程的頻率滾降。不幸的是，要想實現這樣的電路，其成本也將是無限的。
OP技術上的發展，特別是在整合周邊電路方面的進步，使得我們能夠用有限的成本，在工程上實現近似于理想狀態的OP。在計入數量因素后，使用同時期的高性能集成OP的成本已經比5年前使用分立元件的成本大大下降。正是有了OP這種高性能，低成本的產品，才使得一些原來為分立元件系統成本和技術所限制的電路得以實現。一個很好的例子就是低頻函數發生器，它可以由15到20片OP完成，包括波形整形，觸發和相位鎖定電路。
使用OP可以降低生產的成本，這使得系統和設備設計工程師們有必要熟悉OP的特性。本文將講述OP的使用方法，從簡單的緩沖器到復雜的信號發生器和波形整形電路。本文不討論OP的基本理論，請參閱附注里的參考文獻1，2，3，4。本文僅討論OP的實際應用，OP參數的選擇對電路的影響，并給出應用限制條件的概述。
我們按照從簡到繁，分5個階段來討論OP的運用：簡單放大器，運算電路，信號變送電路，整形電路和信號發生電路，電源電路。我們所例舉的集成OP，一般包含了內部頻率補償電路，所以外部頻率補償電路沒有給出。當然，我們也可以選擇其他的OP以達到更高的工作頻率。OP的參數說明在附件I里?；镜姆聪喾糯笃麟娐肥居趫D1。顧名思義，在R2/R1的數值遠小于OP開環增益時，這個數值就是反相放大器的增益。輸入阻抗就是R1的阻值，閉環增益帶寬=單位增益帶寬/（1+閉環增益）
在設計中需要注意的是：R3的阻值應該等于R1和R2的并聯電阻，以減小輸入偏置電流所帶來的失調電壓。輸出失調電壓=輸入失調電壓*閉環增益
OP輸入端的失調電壓有兩個主要的來源，輸入偏置電流（Input bias current）和輸入失調電壓（Input offset voltage）。對于一個給定的OP，輸入失調電壓就已經確定了，但是由輸入失調電流所帶來的失調電壓與所采用的電路結構有關系，為了在不使用調整電路的情況下減小輸入偏置電流所帶來的失調電壓，應該使得同、反相輸入端對地的直流電阻相等，使得由于偏置電流在輸入電阻上壓降所帶來的失調電壓相互抵消。在對低內阻信號源的放大器中，OP的輸入失調電壓將成為失調電壓誤差的主要來源，而對于高內阻信號源的放大器，OP的輸入偏置電流在信號源內阻上的壓降將成為上述誤差的主要來源。
在高輸入阻抗的情況下，失調電壓可以采用R3的阻值來調整，利用輸入偏置電流在其上的壓降來對輸入失調電壓作出補償（既用這個的得到的壓降來抵消輸入失調電壓）。
在交流耦合的時候，失調電壓并不顯得很重要，這時的主要問題是：失調電壓減小了輸出電壓峰—峰值（P-P）的線性動態范圍。
工作在閉環狀態下的OP和其反饋網絡的增益——頻率特性，必須保證不會產生震蕩。為了實現穩定，OP和反饋環路對任何頻率的信號，在環路增益大于1時的環路相移角度絕對不能超過180°。在實踐上，為了達到穩定條件，相移角度不應該接近180°。顯然，最為臨界的狀態發生在反饋網絡的衰減為0的時候（既跟隨器狀態）。沒有做內部補償的OP可以被用在深度反饋電路中以取得更好的頻率特性。舉一個例子：LM101在反相單位增益電路中，由于反饋網絡6dB的衰減，僅需要15pF的補償電容；但在同相單位增益電路中，由于反饋環路沒有衰減，就需要30pF的補償電容。由于OP的轉換速度（SR）取決于補償電容的大小， LM101的SR在反相單位增益電路里可以做到同相單位增益電路的2倍。反相電路在同等SR的條件下可以做到跟隨器電路的110%。對于一個給定的OP放大器電路，在進行補償時需要在穩定性和帶寬之間進行進行權衡。加大補償電容可以提高穩定性，但是犧牲了放大器的增益帶寬，反之亦然。
上面對失調電壓、輸入偏置電流的討論可以適用于絕大多數放大器，在后面的討論中也會再次涉及，更深入的介紹請參見參考文獻4。