运放基础认识及器件选型

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1.什么是运放
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6 L" W4 B. z' r) S$ P6 i3 R) z( B# b（1）概要：
9 R) Y% N- @% {4 B0 l, ?- r
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。

% Q3 S. N% L0 p9 x- e  W! Z) I集成电路运算放大器
2 u: e3 t: W, u2 ~2 p, P0 e6 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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' N, w6 J+ S  o1 c输出电压Vo与差分放大输入级的两个输入端的关系：

' w8 {; D5 L6 a* N: N* B$ s) j& GVo = Av（Vp - Vn）
( N; H6 A, B& F, z- t/ h. m( k（2）模型：
" c& C+ M" o. X6 P+ g* k% }1 k$ ~4 s

. b" {( N8 D# Z$ j+ j3 q. ]
9 t- H) L, Z/ q9 D3 Z" T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）。

虚短：把两输入端视为等电位；
虚断：把两输出端等效为开路。

2.运放典型电路模型
（1）反相比例放大
+ d) s9 z5 I0 D: g5 K0 [. j5 E$ T

（2）差分放大电路

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2 ~4 [, _5 K0 m（3）同相放大电路
8 k. }, U3 o3 Y

& I5 l2 V9 a. y0 L( D8 _$ l. b（4）电压跟随电路
" b2 f) Z4 w7 a( X! z7 Z9 \
% l* k# A  H; D+ k1 tVout=Vin
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  a) ~$ _  V4 |（5）仪器放大电路

# v9 R& ~" W7 G. l( T8 k% m2 q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：

（6）简单比较器

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, {/ x3 l, Q6 ^1 S8 KAv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）
' ~+ N' @3 v# c* V, M
(7)迟滞比较器

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？
: y9 ]# o4 J+ X0 s0 d5 L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。

8 Z- j7 n0 c! h  a( B1 z/ f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。

( V# Y% y: R% G2 U; h2 q2 z8 w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。

7 r1 _) w% r6 h
/ v6 S9 B$ l3 p1 P! x* i- O（8）窗口比较器
3 u8 W% [& l) S* I; j
) o% J- r9 R+ {9 i; }8 E! l( X2 J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。
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。
1）、Uin>URH>URL，A1输出UOH,A2输出UOL，D1导通，D2截止，Uout=UOH;
& V) S/ Z0 Q% q: r" m2）、Uin<URL<URH，A1输出UOL,A2输出UOH，D1截止，D2导通，Uout=UOH;
: ]0 ?* Z$ \+ e1 h3）、URL< Uin<URH，A1输出UOL,A2输出UOL，D1截止，D2截止，Uout=UOL;

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3.运放实际应用选型及相关参数
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9 b. g  ~9 P; t: t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。

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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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）
# |' T( G8 R8 j- q. z# r% H5 h1 V
/ p8 m( B0 @1 E3 Y$ hFDA：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）
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SNR:信噪比
9 A; P) A$ u  _+ H8 wTHD：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
$ R  u: Z( U( K0 A$ c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。
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按实际应用分类：
1 V9 d) e- |+ ^. z（1）高精度运放
①称重系统
选型：OPA2388，高压选择OPA2819，都属于大带宽零温漂运放。
$ ?$ w& W. }+ j3 ~②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
选型：OPA462
: ~2 W. ]7 p2 `1 K, N④数据采集卡、通道多噪声要求高的，失真低的
选型：OPA2210
FDA:THP210
4 W8 h4 s5 t+ c% ?) x⑤仪表放大器，电压、电流、LCD检测，高精度，高共模抑制比
选型：INA821。
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  ^/ y2 L! F4 Z（2）高速运放
①ADC Driver
选型：FDA：THS4551、THS4561。
4 S; p/ Y2 R  V7 F' l* J②模拟前端、数字示波器
; Q1 X% o7 e/ e8 }% ?, I) {! D选型：OPA810/2810(FET)输入阻抗高。
③输出Driver
  _; V5 O! J, Z% m选型：THS3491电流反馈型，增益和带宽可以独立。
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; T& P' w& I5 u- |/ S（3）比较器产品
/ A) ?/ O$ J% ]8 L  x: @①高速、测量领域，对速度有要求的场合
选型：TLV2501/2
②低速场合
选型：TLV9032\TLV9022。
& v; Y0 W! c7 v' i, o, h③通用，成本低，性价比高
选型：LM393B/LM2903B。
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* J6 z6 L2 X( |, r$ n+ U（4）通用运放
9 W4 x; n' Y# j/ g( Q4 Q①高压，高侧电压检测
选型：OPAx9919(轨到轨)
②低压场合
选型：OPAx375，OPAx322。
③通用，成本低，性价比高
选型：LM358B/LM2904B。


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运算放大器 是一个非常神奇的东西。因为，它可以将输入端的电压放大数以万倍。具体理论的放大倍数是：十万倍~百万倍。

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运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路(集成器件)，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力；中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成；输出极与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。运算放大器的应用非常广泛。