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运算放大器的使用基础电信学院尹建新运算放大器的基本结构运算放大器输入端的偏置运算放大器的单电源使用运放输出摆幅与电源电压运算放大器的开环使用与闭环使用运算放大器的自激运算放大器的主要指标一、运算放大器的使用运算放大器是使用得最为广泛的模拟集成电路，由其构成的放大器、加法器、比较器、恒流源、振荡器、脉冲处理电路、微积分电路、有源滤波器、施密特触发器等等，不仅在电子设计制作比赛中，而且在工程应用上频频出现。但一般教材往往重在介绍其典型应用电路，而对于集成运放器件本身的使用（无论是开环使用与闭环使用）很少予以注重，故此处进行专题讲解。1运算放大器的基本结构所有的运算放大器都可以分为输入级、中间级和输出级构成，如图1所示：图1整个运放的增益主要由输入级提供，而输出级只是一种互补推挽形式的跟随器，以提供一定的电流输出。虽然从使用的角度出发，我们并没有必要去了解运放内部的具体电路形式（而且不同型号的运放其内部电路形式也不相同），但是，其输入级和输出级是需要和外电路相连的，所以我们有必要了解运放的输入级和输出级的电路特点，以对其正确的外部使用提供依据。无一例外地，运放的输入级必定是差分放大器的电路形式（或者是双极型管，或者是场效应管），而输出级必定是互补推挽形式的射极跟随器（或者是场效应管的源极跟随器）。之所以运放的输入级必定是差分放大器，是因为运算放大器本质上是一种直接耦合的高增益放大器，所以必然会带来直接耦合放大器的必然难题“零点漂移”问题（零点漂移：模电书：P145），而差分放大器的优越的共模抑制能力就成为运放输入级电路形式的首选。通俗的说，差分放大器的优越的共模抑制能力其实就是利用了电路结构上的对称性，从而将共模形式的漂移和扰动抵销掉。从图1中可以看到，运放的两个输入端是平衡的，或者说是完全对称的。运放的输出端之所以要采用互补推挽形式的跟随器，首先，采用跟随器的电路形式既是因为它能够提供一定的输出电流，同时也能够提供较低的输出阻抗；其次，之所以采用互补推挽的电路形式，是因为这样可以使得输出级既能够提供较大输出电流，同时又能够实现偏置电流比较小（接近于乙类放大器），这样有利于降低功耗。充分了解以图1所代表的运算放大器的电路结构，对于理解下面的关于运算放大器的基本使用方法是必需的。2运放的输入端的偏置现在以图1所示的双极型管运放为例来说明（场效应管运放是类似的）。运放输入端原则上来说对地，或者对电源必须有直流通路。否则图1所示的运放的基极是不可能得到偏置电流的。如果对地有直流通路，则可以通过负电源给基极提供偏置电流；如果对电源有直流通路，则可以通过正电源给基极提供偏置电流。但是，偏置电流的大小与电源电压无关，也与用于提供直流通路的电阻的大小无关，因为其发射极是用恒流源偏置的。运放器件是把差分放大器的两个基极引出作为运放的反相和同相输入端的，但是，在集成运放内部，这两个输入端无论是对地还是对正电源都没有直流通路，即处于悬空状态，这样做是为了让使用者具有更灵活的运用空间。但是这就要求使用时要注意输入端的偏置。我们以图2来说明。图2图2是一个典型的同相放大器。其中，同相输入端的对地电阻R2有两个作用。第一个作用是通过电阻R2给运放的同相输入端提供一个对地的直流通路，使得运放内部与同相输入端相连的基极通过电阻R2与负电源构成回路以形成基极电流（参见图1）；而反相输入端则接有两个支路：一个是通过电路R1对地形成直流通路，另一个是通过电阻Rf与运放输出端形成通路。注意，输出端的静态直流电位应该为零（在双电源供电的情况下），这一点是由放大器输入端的静态零电位和负反馈环路来保证的。所以R1和Rf在形式上是并联的。R2的第二个作用是要保证运放的同相输入端和反相输入端的外电路的对称性，或者静态参数的对称性，以充分保证运放差分放大器形式的输入级的共模抑制能力，故应满足R2=R1Rf。以上是在运放正负电源供电（即双电源供电）时的情况，而运放在单电源供电时的情况，将在“3运算放大器的单电源使用”一节中说明。下面再讨论R1、R2和Rf的具体取值原则。首先，设运放的输入电阻为Ri （Ri在芯片资料上可查吗？试试看。），在满足（R1Rf）Ri的条件下，可以得到电压增益为Av=1+ Rf/R1。于是，根据所要求的电压增益，可以决定Rf和R1的比值。如果不满足（R1Rf）Ri的条件，则电压增益将会与运放的输入电阻Ri有关，而对于运放器件来说，输入电阻Ri有一定的离散性，图3所示的是LM118/ LM218/LM318运放的输入电阻参数表。图3从图3的参数表中可以看到，LM118和LM218的输入电阻离散范围至少为13M，而LM318的输入电阻离散范围至少为0.53 M，所以，如果不满足（R1Rf）1的条件，则就会在这个频率上发生正弦振荡。这就是放大器的自激。为了避免运放的自激，现在的运放器件一般在其内部都采取了滞后补偿。其方法是，在放大器中，引入一个截止频率比较低的RC低通滤波器。其基本原理是，虽然这个截止频率比较低的RC低通滤波器对于频率比较高的输入信号会引入比较大的相移（但最大相移不超过90），但是此时放大器的增益将会大大下降，所以，当频率增高到各级放大器的累积相移达到180时，环路增益AF却远远小于1，从而避免了运放的自激。当运放作为电压跟随器时，反馈系数F=1，如果此时不会发生自激，则其它的情况下就更加不会发生自激（因为其它情况下，F1）。以LM358为例，图9是其内部电器原理图。图9中电容Cc就是为了防止自激所引入的相位滞后补偿电容，其下标C表示补偿（Compensation）。这样使用者在使用运放时就很方便，无需考虑相位补偿的问题。但是也正是因为这个原因，导致运放的开环带宽很窄，例如LM358的3dB带宽只有几赫兹。而用运放构成的放大器之所以能够工作在几十千赫兹或者更高频率，完全是因为引入了负反馈，从而展宽了放大器的频带，但同时降低了放大器的增益。图9虽然运放经过滞后补偿而不会发生自激，但是总会在某一个频率点上满足自激的相位条件，只不过在这个频率上不会同时满足自激的幅度条件，即在满足相位条件的这个频率上有AF1。根据正弦振荡原理，AF1对应着减幅振荡，即一旦存在外界扰动，放大器的输出端就会出现幅度渐减的正弦波，而正弦波的频率恰恰就是满足自激振荡的相位条件的那个频率。所以，当运放工作与线性状态时，例如把运放接成电压跟随器，而此时输入端馈入矩形脉冲，则输出脉冲会出现振铃现象，如图10所示。图10图10是运放LM358的参数手册中所给出来的把运放接成电压跟随器时的脉冲响应（注意图中的横轴单位应该是S）。图中可以看到，振铃幅度可以高达30%左右。但是要注意的是，这是运放工作在线性状态的情况，而如果运放工作在非线性状态，则可能就不会出现振铃。7运放的主要指标及意义运放的指标有很多，但是一般情况下需要关心的指标并不多。所以这里我们主要介绍一些常常需要关心的指标，即主要指标。这里，我们首先在图11和图12中给出通用型运放LM358和高速运放LM318参数手册中的主要指标，然后逐一说明。但是请注意查阅参数表中的参数的时候，表中所给出的测试条件。图11图12带宽增益积（Gain Bandwidth Product）在6dB/倍频程的增益频率范围内，电压增益与频率的乘积。这是一个极其重要的指标，是使用运放时必须关心的一个指标。非谐振放大器的电压增益与带宽的乘积一般是一个常数，运放也是这样。所以，一般，放大器的工作频率越高，则电压增益就会越低。图13是运放LM358的电压增益频率的特性曲线，从图13中可以明显地看到这一点。图13从图13中可以看到，当频率为10Hz时，电压增益大约为100dB，但是，当频率为100Hz时，电压增益下降为大约80dB。这里的电压增益，是指运放自身的开环电压增益。在应用电压增益与带宽为常数这一结论时，要注意的是电压增益的单位为分贝，而频率也采用对数坐标，此时运放的幅频特性才会在高频区呈现为线性。增益带宽积有时候也用单位增益带宽（Unity Gain Width）来表示开环电压增益为1（0dB）时所对应的频率。运放不应该使用在超过单位增益带宽的频率上。例如，从图11中可以看到，运放LM358的增益带宽积为0.71.1（参数表中实际上给出的是单位增益带宽），所以，如果想用运放构成一个2MHz的振荡器或者放大器，显然就不能使用LM358这个型号。图12是高速运放LM318的部分参数，其中没有给出单位增益带宽这个指标，而是小信号带宽（Small Signal Bandwidth），其中小信号是指运放工作在线性状态，这个带宽指的是增益下降3dB时的开环带宽，这说明LM318可以用来构成带宽相当宽的放大器，所以称为高速运放。转换速率（Slew Rate）输入端在施加规定的大信号脉冲时，输出电压随时间的最大变化率。带宽增益积是从频域上描述运放的速度，而转换速率则是从时域上描述运放的速度。显然，带宽增益积越大，则转换速率越高。请注意，转换速率是在运放工作在线性情况下测得的。从图11和图12中可以看到，LM358的转换速率典型值只有0.6/S，而LM318转换速率的典型值则高达70/S，两者相差100多倍。输出电压摆幅（Output Voltage Swing）最大不失真输出电压。运放的输出电压摆幅一般要比运放的供点电压略低，并且所低的值是一个固定的值，而不是一个相对百分比。例如比运放的供点电压低12V等，而不管运放的供点电压是多少。高电平输出电压（High Level Output Voltage）低电平输出电压（Low Level Output Voltage）运放工作在脉冲状态时可能的最高输出电压和最低输出电压。输出电压摆幅是运放工作的线性状态下的最大电压与最小电压的差值，而高电平输出电压和低电平输出电压则是运放工作在非线性状态下的最高输出电压和最低输出电压。这个高电平输出电压一般比运放的正的供点电压低一个固定的值，而低电平输出电压一般比运放的负的供点电压高一个固定的值。一般来说，如果高电平输出电压比较接近运放的正的供点电压，那么，低电平输出电压则与运放的正的供电电压就会有一个比较大的差值，或者反过来。例如，运放的供电电压为5V，则如果高电平输出电压为3.5V（与正的供电电压有一个比较大的差值），那么低电平输出电压可能几乎等于5V。在图11中，在LM358为+30V单电源供电的情况下，高电平输出电压为2628V，而在LM358为+30V单电源供电的情况下，高电平输出电压为520mV，可见低电平输出电压是很低的。输出源电流（Output Current Source）输出倒灌电流（Output Si