資深工程師教你如何選擇運放
出處：http://m.elecfans.com/article/685803.html
目前市場運放種類繁多，面對不同的使用條件和環境，是否都能選擇一樣的運放呢？沒關係，這是很多電子工程師都會困惑的問題，接下來為你揭開運放選型的神祕面紗。
該如何分析運放電路呢？
在學習運放選型前，我們需要先來透測的學習運放電路的內部結構和原理，對於我們來說運算放大器是類比電路中十分重要的元件，它能組成放大、加法、減法、轉換等各種電路，我們可以運用運放的“虛短”和“虛斷”來分析電路，然後應用歐姆定律等電流電壓關係，即可得輸入輸出的放大關係等。
由於運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的開環電壓放大倍數都在80 dB以上。而運放的輸出電壓是有限的，一般在 10 V～14 V。因此運放的差模輸入電壓不足1 mV，兩輸入端近似等電位，相當於“短路”。開環電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等。“虛短”是指在分析運算放大器處於線性狀態時，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。
由於運放的差模輸入電阻很大，一般通用型運算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運放輸入端的電流往往不足1uA，遠小於輸入端外電路的電流。故通常可把運放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路。“虛斷”是指在分析運放處於線性狀態時，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。
下面本文用虛斷和虛斷方法來對實際的電路進行分析，如圖1-1所示，是常見的反相比例運算放大電路：
圖1-1.方向比例運算放大電路
在反相放大電路中，訊號電壓通過電阻R1加至運放的反相輸入端，輸出電壓Vo通過反饋電阻Rf反饋到運放的反相輸入端，構成電壓並聯負反饋放大電路。
運放的同相端接地=0V，反相端和同相端虛短，所以也是0V，反相輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那麼R1和Rf相當於是串聯的，流過一個串聯電路中的每一隻元件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過Rf的電流是相同的。
根據歐姆定律：
Is= (Vs- V-)/R1……......…（1）
If= (V- - Vo)/Rf……...........（2）
V- = V+ = 0 ……......………（3）
Is= If ……………......………（4）
求解後可能Vo== (-Rf/R1)*Vi
在分析電路的過程中，暫時不用管運放的其他特性，就根據虛短和虛斷的特性來分析。當然，若運放不工作在放大區時，不滿足虛短和虛斷髮條件，不能使用此種方法來分析，如比較器。
如下圖1-2，是運放實現的加法器，用虛短和虛斷的方法來分析此電路。
圖1-2.運放實現的加法器
由於電路存在虛短，運放的淨輸入電壓vI=0，反相端為虛地。
vI=0，vN=0…………………............................（5）
反相端輸入電流iI=0的概念，通過R2與R1的電流之和等於通過Rf的電流故
(Vs1 – V-)/R1 + (Vs2 – V-)/R2 = (V- –Vo)/Rf....（6）
如果取R1=R2=R3，由a，b兩式解得
-Vout=Vs1+Vs………..................................……（7）
式（7）中負號為反相輸入所致，若再接一級反相電路，可消去負號。
簡言之，虛短是運放正輸入端和負輸入端的電壓相等，近似短路；虛斷是流入正負輸入端的電流為0。只要掌握了這一點，再運用歐姆定律，即可很容易的分析同相比例放大電路，反向比例放大電路等常用的運放放大電路。
運放具體該怎麼選擇呢？
1、通用型運算放大器
通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產品量大面廣,其效能指標能適合於一般性使用。例mA741(單運放)、LM358(雙運放)、LM324(四運放)，它們是目前應用最為廣泛的整合運算放大器。
2、精密運算放大器
精密運算放大器一般指失調電壓低於1mV的運放，對於直流輸入訊號，輸入失調電壓(VOS)和它的溫漂小就行，但對於交流輸入訊號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。在感測器型別和(或)其使用環境帶來許多特別要求時，例如超低功耗、低噪聲、零漂移、軌到軌輸入及輸出、可靠的熱穩定性和對數以千計讀數和(或)在惡劣工作條件下提供一致性能的可再現性，運算放大器的選擇就會變得特別困難。精密放大電路會多一些電源去耦，濾波等特殊設計的電路。主要區別在於運算放大器上，精密運算放大器的效能比一般運放好很多，比如開環放大倍數更大，CMRR更大，速度比較慢，GBW，SR一般比較小。失調電壓或失調電流比較小，溫度漂移小，噪聲低等等。好的精密運放的效能遠不是一般運算放大器可以比得，一般運放的失調往往是幾個mV，而精密運放可以小到1uV的水平。要放大微小的訊號，必須用精密運放，用了一般的運放，它自身都會帶入很大的干擾。要通過外圍電路改善，小幅或者微調可以，但無法大幅度或者徹底改變。最常用的精密運放就是OP07，以及它的家族，OP27，OP37，OP177，OPA2333。其他的還有很多，比如美國AD公司的產品，很多都是OPA帶頭的。
3、高阻型整合運算放大器
高阻型整合運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>(109~1012)W,IIB為幾皮安到幾十皮安。實現這些指標的主要措施是利用場效電晶體高輸入阻抗的特點,用場效電晶體組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級,不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬頻和低噪聲等優點,但輸入失調電壓較大。常見的整合器件有LF356、LF355、LF347(四運放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。
4、低溫漂型運算放大器
在精密儀器、弱訊號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩零型低漂移器件ICL7650等。
5、高速型運放
高速型運放在快速A/D和D/A轉換器、視訊放大器中,要求整合運算放大器的轉換速率SR一定要高,單位增益頻寬BWG一定要足夠大,像通用型整合運放是不能適合於高速應用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、mA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。
6、低功耗型運放
低功耗型運放由於電子電路整合化的最大優點是能使複雜電路小型輕便,所以隨著便攜運算放大器式儀器應用範圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250mA。目前有的產品功耗已達微瓦級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可採用單節電池供電。
7、高壓大功率型運算放大器
高壓大功率型運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,整合運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流整合運算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41整合運放的電源電壓可達±150V,mA791整合運放的輸出電流可達1A。
相信通過上面的介紹，對不同使用條件下是否能使用同一種運放，顯然是比較清楚的，實際選擇整合運放時,還應考慮其他因素。例如訊號源的性質,是電壓源還是電流源;負載的性質,整合運放輸出電壓和電流的是否滿足要求;環境條件,整合運放允許工作範圍、工作電壓範圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。
最後再贈送大家一些評價運放的小經驗，評價整合運放效能的優劣,應看其綜合性能。SR為轉換率,單位為V/ms,其值越大,表明運放的交流特性越好;Iib為運放的輸入偏置電流,單位是nA;VOS為輸入失調 電壓,單位是mV。Iib和VOS值越小,表明運放的直流特性越好。所以,對於放大音訊、視訊等交流訊號的電路,選SR(轉換速率)大的運放比較合適;對於處理微弱的直流訊號的電路,選用精度比較的高的運放比較合適(既失調電流、失調電壓及溫飄均比較小)。在沒有特殊要求的場合,儘量選用通用型整合運放,這樣既可降低成本,又容易保證貨源。當一個系統中使用多個運放時,儘可能選用多運放積體電路,例如LM324、LF347等都是將四個運放封裝在一起的積體電路。
運放正相與反相放大效能的差異
本文主要是關於運放正相與反相放大的相關介紹，並著重對運放正相與反相放大效能的差異進行了詳盡的闡述。
運算放大器
運算放大器（簡稱“運放”）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網路共同組成某種功能模組。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出訊號可以是輸入訊號加、減或微分、積分等數學運算的結果。 ［1］ 由於早期應用於模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名“運算放大器”。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體晶片當中。隨著半導體技術的發展，大部分的運放是以單晶片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用於電子行業當中。
運放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點，它相當於電路中的參考結點。）之間，且其實際方向從a 端高於公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區別起見，a端和b 端分別用“-”和“+”號標出，但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性。電壓的正負極性應另外標出或用箭頭表示。
一般可將運放簡單地視為：具有一個訊號輸出埠（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可採用運放製作同相、反相及差分放大器。
運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對於雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。採用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一範圍變化。
運放的輸入電位通常要求高於負電源某一數值，而低於正電源某一數值。經過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區間變化，甚至稍微高於正電源或稍微低於負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。
運算放大器的輸出訊號與兩個輸入端的訊號電壓差成正比，在音訊段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運放的低頻開環增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入訊號電壓，E2 是反相端的輸入訊號電壓。
運算放大器是用途廣泛的器件，接入適當的反饋網路，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振盪器及電壓比較器。
反相放大器
電子電路中的運算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱為反相放大器。反相放大器電路具有放大輸入訊號並反相輸出的功能。
反相放大器電路具有放大輸入訊號並反相輸出的功能。“反相”的意思是正、負號顛倒。這個放大 器應用了負反饋技術。所謂負反饋，即將輸出訊號的一部分返回到輸入，在圖所示電路中，象把輸出Vout經由R2 連線（返回）到反相輸入端（-）的連線方法就是負反饋。
運算放大器具有以下特點，當輸出端不加電源電壓時，正相輸入端（+）和反相輸入端（-）被認為施加了相同的電壓，也就是說可以認為是虛短路。所以，當正相輸入端 （+）為0V時，A點的電壓也為0V。
運算放大器的輸入阻抗極高，反相輸入端（-）中基本上沒有電流。因此，當Ie經由A點流向R2時，I1和I2電流基本相等。由以上條件，對R2使用歐姆定律，則得出Vout=- I1xR2。I1為負是因為I2從電壓為0V的點A 流出。換一個角度來看，當反相輸入端（-）的輸入電壓上升時，輸出會被反相，向負方向大幅度放大。由於這 個負方向的輸出電壓經由R2與反相輸入端相連，因此，會使反相輸入端（-）的電壓上升受阻。反相輸入端和正 相輸入端電壓都變為0V，輸出電壓穩定。
通過這個放大器電路中輸入與輸出的關係來計算一下增益。增益是Vout和Vin的比，即 Vout/Vin= （-I1xR2） / （I1xR1） =- R2/R1。所得增益為-，表示波形反相。
應用：
積分器
將原來反相放大器R2電阻，換成一顆電容器C2 ， 此時輸入訊號Vi與輸出訊號Vo之關係，形成一積分關係。
微分器
將原來反相放大器R1電阻，換成一顆電電容器C ，此時輸入訊號Vi與輸出訊號Vo之關係，即變形成一微分關係。
加法器
若將反相放大器稍微變化一下，此時輸入訊號與輸出訊號Vo之關係，若R1 = R2 = R3 =。..= Rn = Rf，就可簡化為Vo =－（V1+V2+V3+.。.+Vn），形成一加法關係。
運放正相與反相放大效能的差異
電子電路中的運算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大
器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱為反相放大器。
運放的同相和反相區別：
1、同相放大器的輸入阻抗和運放的輸入阻抗相等，接近無窮大，同相放大器的輸入電阻取值大小不影響輸入阻抗；而反相放大器的輸入阻抗等於訊號到輸入端的串聯電阻的阻值。因此當要求輸入阻抗很高的時候就應選擇同相放大器！
2、同相放大器的輸入訊號範圍受運放的共模輸入電壓範圍的限制，反相放大器則無此限制。因此如果要求輸入阻抗不高且相位無要求時，首選反相放大，因為反相放大隻存在差模訊號，抗干擾能力強，可以得到更大的輸入訊號範圍。
3、在設計中要求放大倍數相同的情況下儘量選擇數值小的電阻配合，這樣可以減小輸入偏置電流的影響和分佈電容的影響。如果很計較功耗，則要在電阻數值方面折中。
結語
關於運放正相與反相放大的相關介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。