运放基础认识及选型

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1.什么是运放
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% y1 \( G5 I5 z8 E+ O! c5 P（1）概要：
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( a9 ?2 x6 G) A& f' u0 p运放是运算放大器的简称。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。
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集成电路运算放大器
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3 l8 A, L1 V4 S$ J9 o8 g  C" t  k种类很多，功能也多，电路也不一致，但是其内部结构框图基本上是一致的。由三部分组成：输入级，中间级，输出级。输入级由差分放大电路组成，利用他的电路对称性可提高整个电路的性能。中间电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可以由一级或多级放大电路组成；输出级的电压增益为1，但能为负责提供一定的功率，电路由两个电源V+和V-供电。整个电路设计成两个输入端P和N，一个输出端O。三端的电压分别用Vp，Vn，和Vo表示，P、N两端分别称为同相输入端和反相输入端，意即当P端加入电压信号Vp（Vn = 0）时，在输出端得到的电压Vo与Vp同相；当在N端加入电压信号Vn(Vp = 0)时，在输出端得到的输出电压Vo与Vp反相。一个世纪的集成运放，P、N与O端的电压信号的之间的关系是确定的。
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, s2 i( m, ]3 }5 j9 q输出电压Vo与差分放大输入级的两个输入端的关系：

Vo = Av（Vp - Vn）
（2）模型：
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) g* A3 `3 P8 X% H$ x理想的运放电路分析有两大重要原则贯穿始终，即“虚短”与“虚断”。“虚短”的意思是正端和负端接近短路，即V+=V-,看起来像“短路”;“虚断”的意思是流入正端及负端的电流接近于零，即I+=I-=0,看起来像断路（因为输入阻抗无穷大）。
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' G0 ?1 |( C& Q5 \( H- B+ m虚短：把两输入端视为等电位；
虚断：把两输出端等效为开路。
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1 u% B+ c, I$ T% _& R& {: M2.运放典型电路模型
（1）反相比例放大


  X6 }; ^/ r3 _* u" [( w/ Z; B* {% s（2）差分放大电路


（3）同相放大电路
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( P7 D: Q) b! a$ E（4）电压跟随电路
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Vout=Vin
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（5）仪器放大电路
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+ `0 a. M9 N  W  o选值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9（保持电路的对称性），R3为可调电阻，用于调节电路增益。电路输入输出的关系式如下：
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& k$ h" l7 \- T4 f9 G（6）简单比较器
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Av为运放的开环放大倍数（一般为100dB左右，即十万倍）。当V+大于V-时，输出为正饱和（接近VCC，但是无法达到）；当V-大于V+时，输出为负饱和（接近-VSS，但是无法达到）

(7)迟滞比较器
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相比简单比较器，迟滞比较器只是增加了一个电阻R2。这将引起怎样的微妙变化呢？
: G: u% T# P' X/ Q/ W# V) z' J通俗地说，R2在输入与输出之间搭起了一座桥梁，输出的变化可以通过R2传递至输入，然后比较器的阈值将随输出的变化而改变，达到了磁滞的目的。
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+ L% a4 c2 }- s( ]如果需要定量分析，所有的比较器的原理都是一样的，利用运放的放大倍速为“无穷大”，将V+与V-之间的微弱电压差进行放大，达到饱和输出。
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# H  m7 V2 M: `设计合适的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于杂波幅值，可以有效的避免因为输入信号上的杂波引起的误操作。
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（8）窗口比较器

8 h6 G8 _! x( C* _1 `3 |( \# l' Z窗口比较器用于判别输入电压是否落在某一个范围之内，图是典型的窗口比较器。
8 t% F3 x2 s! z! N) c其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止两个运放输出电平相反时损坏运放。比如，运放A1输出VOH，但是运放A2输出VOL,D1导通，但是D2截止，因此电流不会从A1流入A2,避免大电流损坏器件。
9 O% ~* i3 D! K, C  _1）、Uin>URH>URL，A1输出UOH,A2输出UOL，D1导通，D2截止，Uout=UOH;
2）、Uin<URL<URH，A1输出UOL,A2输出UOH，D1截止，D2导通，Uout=UOH;
3）、URL< Uin<URH，A1输出UOL,A2输出UOL，D1截止，D2截止，Uout=UOL;
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' ~$ U2 H: w. P. y  S& q8 k3.运放实际应用选型及相关参数

( T/ j, `9 A( t3 v0 {5 h电压反馈型运放（VF）：电压反馈型放大器的-3DB带宽由R1、RF和跨导gm共同决定，这就是所谓的增益帯宽积的概念，增益增大，带宽成比例下降。同时运放的稳定性有输入阻抗R1和反馈阻抗Rf共同决定。
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, m; j$ c1 M& a+ O电压反馈型的运放，增益带宽集是固定的，所以当增益变得很大的时候，带宽裕度就会变小，能够拥有的带宽就变小了，需要捕捉瞬态量的时候，需要运放的带宽有足够的裕度。
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+ W& x. m8 s$ W$ N电流反馈型运放（CF）：而对于电流反馈型运放，它的增益和带宽是相互独立的，其-3DB带宽仅由Rf决定，可以通过设定Rf得到不同的带宽。再设定R1得到不同的增益。同时，其稳定性也仅受Rf影响。
（电压反馈型和电流反馈型不细说了，这里先做一个简单的认识）

- U% x3 u+ n9 b% NFDA：全差分运算放大器（Fully differential amplifiers，FDA)是简单的单极管运算放大器的进阶，通常在电路中，全差分运放会作为运放的第一级，它的作用是用来对输入信号进行预放大，第二级通常会是一个双端输入，单端输出的运放，用来产生较大的增益，进而配合环路完成相应的功能（数字比较器，高速数字接口，远端采样，误差放大器等应用）

SNR:信噪比
THD：运放的总谐波失真（THD）是当运放的输入信号为纯的正弦波时（无谐波的正弦波），运放的输入信号中的各次谐波（2次，3次，至n次）的均方根值，与输出信号基波的RMS值之比
轨到轨运放：所谓轨对轨（rail-to-rail）运算放大器轨对轨放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值
单电源运放：运放 单电源供电指 运放 只用一种电源供电，如DC 5V，DC 12V，单电源供电，输出只有一种电压，如输入 波形 是变化的，输出也只在正电压 波形 变化。
0 ]. p) f1 d( e7 d; w
按实际应用分类：
. K; z7 z. V# z( ~  `' D/ T（1）高精度运放
: ]. D$ A& X1 r. \8 b4 i' `! `①称重系统
选型：OPA2388，高压选择OPA2819，都属于大带宽零温漂运放。
7 n: t7 Z8 i6 i1 F4 m②仪器、实验器材
选型：输入阻抗要足够大（MOSFET输入的）
③高压、半导体测试台
% G2 w7 a, x6 ^4 q选型：OPA462
4 A9 T3 |4 f6 C% i④数据采集卡、通道多噪声要求高的，失真低的
选型：OPA2210
0 j+ y6 v: S) o( j  f* Y# ?FDA:THP210
⑤仪表放大器，电压、电流、LCD检测，高精度，高共模抑制比
1 X9 s# y- V, w- z" \+ a8 Q选型：INA821。
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（2）高速运放
5 M8 t5 u' F2 f1 Y0 {: a/ d+ n①ADC Driver
选型：FDA：THS4551、THS4561。
) O" J: ^5 \0 Y! F  L) x②模拟前端、数字示波器
4 a& [  o3 ^8 X& {选型：OPA810/2810(FET)输入阻抗高。
③输出Driver
$ w1 y. }' i8 p4 N" b选型：THS3491电流反馈型，增益和带宽可以独立。

（3）比较器产品
1 h, O$ U7 p- C2 y①高速、测量领域，对速度有要求的场合
! c* k# i8 h2 ?, U5 ~9 J选型：TLV2501/2
②低速场合
! }) Y2 P2 Q$ q1 L/ n3 O: T  k" x选型：TLV9032\TLV9022。
* }0 Y* Y$ {5 @③通用，成本低，性价比高
( s8 K  P' e% K8 y选型：LM393B/LM2903B。
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（4）通用运放
( v1 _6 e( g9 o# T% g) t* H  \①高压，高侧电压检测
选型：OPAx9919(轨到轨)
" G- I* J/ {5 q②低压场合
  j9 _- f* s/ t" u: k) l: T8 y* V选型：OPAx375，OPAx322。
! l1 v7 q4 z( }3 M, W③通用，成本低，性价比高
选型：LM358B/LM2904B。

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输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中

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实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。