运算放大器参数详解

运算放大器 参数详解

运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。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。
历史
　　直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。目前所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路，集成在一块微小的硅片上。
　　第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild）公司发明的μA741，在60年代后期广泛流行。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。
原理
　　运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端(反相输入端),非倒向输入端(同相输入端)和输出端.当电压加U-加在a端和公共端(公共端是电压的零位,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端指向公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用"-"和"+"号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.
　　 

一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
　　运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。
　　运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。
　　运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。

dB

       dB(Decibel，分贝) 是一个纯计数单位，本意是表示两个量的比值大小，没有单位。 在工程应用中经常看到貌似不同的定义方式（仅仅是看上去不同）。对于功率，dB = 10*lg(A/B)。对于电压或电流，dB = 20*lg(A/B)。此处A，B代表参与比较的功率值或者电流、电压值。 dB的意义其实再简单不过了，就是把一个很大（后面跟一长串0的）或者很小（前面有一长串0的）的数比较简短地表示出来。

如（此处以功率为例）：
　　X = 100000 = 10^5
　　X(dB) = 10*lg(X) dB= 10*lg(10^5) dB= 50 dB
　　X = 0.000000000000001 = 10^-15
　　X(dB) = 10*lg(X) dB= 10*lg(10^-15) dB= -150 dB
　　一般来讲，在工程中，dB和dB之间只有加减，没有乘除。而用得最多的是减法：dBm 减 dBm 实际上是两个功率相除，信号功率和噪声功率相除就是信噪比（SNR）。比如：30dBm - 0dBm = 1000mW/1mW = 1000 = 30dB。dBm 加 dBm 实际上是两个功率相乘，没有实际的物理意义。
　　在电子工程领域，放大器增益使用的就是dB（分贝）。放大器输出与输入的比值为放大倍数，单位是“倍”，如10倍放大器，100倍放大器。当改用“分贝”做单位时，放大倍数就称之为增益，这是一个概念的两种称呼。
　　电学中分贝与放大倍数的转换关系为：
　　A(V)(dB)=20lg(Vo/Vi)；电压增益
　　A(I)(dB)=20lg(Io/Ii)；电流增益
　　Ap(dB)=10lg(Po/Pi)；功率增益
　　分贝定义时电压(电流)增益和功率增益的公式不同，但我们都知道功率与电压、电流的关系是P=V^2/R=I^2*R。采用这套公式后，两者的增益数值就一样了：
　　10lg[Po/Pi]=10lg[(Vo^2/R)/(Vi^2/R)]=20lg(Vo/Vi)。注意：这只是在Ri=Ro的电路中适用，比如在有线电视系统中各种器材的匹配阻抗都是75Ω。
　　使用分贝做单位主要有三大好处。
　　（1）数值变小，读写方便。电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万，一台收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出，一共要放大2万倍左右。用分贝表示先取个对数，数值就小得多。
　　（2）运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时，总增益就是相加。若某功放前级是100倍(20dB)，后级是20倍(13dB)，那么总功率放大倍数是100×20=2000倍，总增益为20dB＋13dB=33dB。（3）符合听感，估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如，当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时，听到的声音就响了很多；而从1瓦增强到2瓦时，响度就差不太多；再从10瓦增强到11瓦时，没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦，而用增益表示分别为10.4dB，3dB和0.4dB，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。您若注意一下就会发现，Hi－Fi功放上的音量旋钮刻度都是标的分贝，使您改变音量时直观些。
　　分贝数值中，－3dB和0dB两个点是必须了解的。－3dB也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半，电压或电流是正常时的1/√2。在电声系统中，±3dB的差别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标，如频率范围，输出电平等，不加说明的话都可能有±3dB的出入。例如，前面提到的频响10Hz～40kHz，就是表示在这段频率中，输出幅度不会超过±3dB，也就是说在10Hz和40kHz这二个端点频率上，输出电压幅度只有中间频率段的0.707(1/根2)倍了。0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。分贝是一个相对大小的量，没有绝对的量值。可您在电平表或马路上的噪声计上也能看到多少dB的测出值，这是因为人们给0dB先定了一个基准。例如声级计的0dB是2×10－4μb(微巴)，这样马路上的噪声是50dB、60dB就有了绝对的轻响概念。常用的0dB基准有下面几种：dBFS——以满刻度的量值为0dB，常用于各种特性曲线上；dBm——在600Ω负载上产生1mW功率(或0.775V电压)为0dB，常用于交流电平测量仪表上；dBV——以1伏为0dB；dBW——以1瓦为0dB。一般读出多少dB后，就不用再化为电压、声压等物理量值了，专业人士都能明白。只有在极少数场合才要折合。这时只需代入公式： 10^(A/20)×D0或10^(A/10)×D0计算即可。A为读出的分贝数值，D0为0dB时的基准值，电压、电流或声压用A/20，电功率、声功率或声强则用A/10。现在您就可以来回答本文开头的问题了。第二只音箱在相同输入时比第一只音箱响一倍，如果保持两只音箱一样响的话，第二只音箱只要输入一半功率即可。第一只功放只是很普通的品种，第二只功放却很Hi－Fi，整个频率范围内输出电压只有±2.3％的差别!
　　简单地说，dB是一个比值，举个例子，音频行业中，功率大一倍即使大3dB。
　　又比如音箱的灵敏度单位是dB,声压计测出的声音强度也是dB。
　　这里要提一下dBm,dBw,dBu,dBc的含义和之间的关系，dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw），这是一个绝对值，0dBm即使1毫瓦所转换的能量。
　　dBw与dBm一样，dBw是一个表示功率绝对值的单位（也可以认为是以1W功率为基准的一个比值），计算公式为：10lg（功率值/1w）。dBw与dBm之间的换算关系为：0 dBw = 10lg1 W = 10lg1000 mw = 30 dBm,由此可见，0dBw是一个比0dBm大得多的多的单位，功率上相差1000倍，因此专业音频设备上，最典型的例子就是功放，0dB的刻度是最大值，功放的旋钮其实是一个衰减器；
　　dBu是以.775v电压作为基准值的一个单位参数，dBv则是1V为基准值，因此，0dBv大概等于2.2dBu；它们换算公式是：x dBv = (x + 2.2)dBu
　　而dBc在数字音频系统中比较常见，这也是一个考量相对功率的值。比如某处理器内部设置的0dBc实际等同于是-24dBm；
　　而我们在统计声音响度或者声压级时也会采用分贝dB作为单位去衡量，这是因为dB的步阶可以如实地反映人对声音的感觉。实践证明，声音的分贝数增加或减少一倍，人耳听觉响度也提高或降低一倍。即人耳听觉与声音功率分贝数成正比。

类型
　　按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。
　　1．通用型运算放大器
　　通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例μA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。
　　2．高阻型运算放大器
　　这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。
　　3．低温漂型运算放大器
　　在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。
　　4．高速型运算放大器
　　在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG＞20MHz。
　　5．低功耗型运算放大器
　　由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。
　　6．高压大功率型运算放大器
　　运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达±150V,μA791集成运放的输出电流可达1A。
　　7.可编程控制运算放大器
　　在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号为1mv时,输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时,输出就只有1mv,为了得到10mv就必须改变放大倍数为100.程控运放就是为了解决这一问题而产生得.例如PGA103A,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数.

主要参数
　　1.共模输入电阻(RINCM)
　　该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。
　　2.直流共模抑制(CMRDC)
　　该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。
　　3.交流共模抑制(CMRAC)
　　CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。
　　4.增益带宽积(GBW)
　　增益带宽积AOL * ?是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。
　　5.输入偏置电流(IB)
　　该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。
　　6.输入偏置电流温漂(TCIB)
　　该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB通常以pA/°C为单位表示。
　　7.输入失调电流(IOS)
　　该参数是指流入两个输入端的电流之差。
　　8.输入失调电流温漂(TCIOS)
　　该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS通常以pA/°C为单位表示。
　　9.差模输入电阻(RIN)
　　该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。
　　10.输出阻抗(ZO)
　　该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。
　　11.输出电压摆幅(VO)
　　该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。
　　12.功耗(Pd)
　　表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd通常定义在空载情况下。
　　13.电源抑制比(PSRR)
　　该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。
　　14.转换速率/压摆率(SR)
　　该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。
　　15.电源电流(ICC、IDD)
　　该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。
　　16.单位增益带宽(BW)
　　该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。
　　17.输入失调电压(VOS)
　　该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。
　　18.输入失调电压温漂(TCVOS)
　　该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µV/°C为单位表示。
　　19.输入电容(CIN)
　　CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。
　　20.输入电压范围(VIN)
　　该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时，所允许的输入电压的范围，VIN通常定义在指定的电源电压下。
　　21.输入电压噪声密度(eN)
　　对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，eN通常以 nV / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。
　　22.输入电流噪声密度(iN)
　　对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。

 

集成运算放大器的参数

为了表征集成运算放大器在使用时的各种性能，定出了很多特性参数，主要分为静态参数和动态参数，也分别称为直流参数和交流参数。

1.直流参数
( 1 )开环差模电压增益AUD
开环差模电压增益简称开环增益，它是指运算放大器在没有外加反馈环路且工作在低频时的电压增益，即

 

一个理想的运算放大器，其开环增益应为无穷大。但运算放大器很少开环使用，一般都要加反馈电路，因此该参数主要用来说明运算精度。AUD越大，越稳定，运算精度也就越高。

(2) 输入失调电压U10
理想的运算放大器，当输入电压V+=V-=0时，输出电压Vo =0 。但对于实际的运算放大器，由于种种原因，当V+=V-=0时， Vo !=0。反过来讲，如果要想使Vo=0 ，则必须在输入端加上一个很小的补偿电压U10这个电压就称为输入失调电压。显然，这个电压越小，表示运算放大器的性能越好。

(3)输入失调电压温度系数αU10
在一定温度范围内，输入失调电压的变化量与温度变化量的比值定义为输入失调电压的温度系数，一般表示为

 

通用型运算放大器的输入失调电压温度系数αU10为± (10 - 20)μV/℃;高精度运算放大器约为±1μV/℃。

(4) 输入失调电流I10
当运算放大器直流输出为零时，两输入端输入偏置电流之差称为输入失调电流。它一般为零点儿微安至几微安。

(5) 输入偏置电流IIB
当运算放大器直流输出为零时，两个输入端静态偏置电流的平均值称为输入偏置电流，即

 

双极型三极管作为输入级的集成运算放大器的输入偏置电流IIB为10nA - 10μA; 场效应三极管作为输入级的集成运算放大器的输入偏置电流IIB一般小于1nA。

(6) 共模抑制比KCMR
理想的运算放大器，对于共模输入电压不会产生输出电压，就是说，只要U+=U-，Uo=0 。但实际上，同相输入端和反相输入端的电压不可能完全相同，因此也就不能完全抵消共模输入电压。

如果以UjCM为共模输入电压，且UiCM = U+  =  U-;而输出电压为UoCM则共模电压增益为

 

(7) 最大输出电压Uopp
最大输出电压是指在一定的负载和l非线性条件下，集成运算放大器输出的最大电压幅度。

(8) 最大共模输入电压UICM
如果不断增加运算放大器输入端的共模电压，直到运算放大器的共模抑制比显著变坏为止，这个共模输入电压即为最大共模输入电压。

(9) 最大差模输入电压UIDM
如果不断增加运算放大器输入端的差模电压，直到运算放大器中有三极管退出线性区为止，这个输入的差模电压即为最大差模输入电压。

2. 交流参数
( 1)开环带宽BW
当工作频率增加时，集成运算放大器的开环电压增益从直流增益下降3dB 时所对应的信号频率称为开环带宽。由于开环增益测量比较困难.往往采用单位增益带宽。

(2) 单位增益带宽BWG (GB)
单位增益带宽是指运算放大器闭环增益为1倍的条件下，用正弦小信号驱动时，其闭环增益下降至0.707 倍时的频率。

(3)电压转换率SR
在额定的负载条件下，当输入阶跃大信号时，集成运算放大器输出电压的最大变换效率即为电压转换率，也称压摆率。

(4) 等效输入噪声UN
等效输入噪声是指当运算放大器的输入端短路时，将产生于输出端的噪声折算到输入端的等效电压值。