集成運算放大器的選擇策略與應用技術

摘要：針對集成運算放大器性能特點，分析了選擇策略；就應用廣泛的低噪聲集成運放、精密集成運放、視頻集成運放等專用型集成運算放大器及其典型應用技術進行了討論，給出了相應的典型應用實例。
關鍵詞：集成運算放大器；選擇策略；應用技術

運放的選擇策略

(1)設計目標的綜合考慮
設計者必須綜合考慮設計目標的信號電平，閉環(huán)增益，要求精度，所需帶寬，電路阻抗，環(huán)境條件及其他因素，并把設計要求的性能轉換成運放的參數，建立各個參數的取值以及它們隨溫度、時間、電流電壓等變化的范圍。

(2)深刻理解電路手冊中特性指標的意義
不同的制造商可能給出不同的特性指標，這些指標可能是通過不同的測量技術獲得的，這就給運放的選擇帶來了困難。為避免這些困難，設計者必須深刻理解電路手冊中特性指標的意義，同時必須了解這些參數是如何測得的，然后把這些特性指標轉換成對設計要求有意義的參數。

(3)選擇具有最優(yōu)性能價格比的運放
設計者必須把設計目標的性能、所選擇器件的性能指標與價格聯(lián)系起來，以最低的價格獲得符合設計目標提出的物理、電氣和環(huán)境要求。

運放的分類與幾種典型應用

不同類型運放組成近百種運放系列，其中一部分是通用的，稱為通用型運放：另一部分為特殊應用提供優(yōu)化特性，稱為專用型運放。通用型運放的各項性能指標都比一般的分立元件直接耦合放大電路有所改善，大致能夠滿足中等精度的要求，一般情況下無須調零即可使用。專用型運放為了適應特殊應用場合而具有優(yōu)化特性。根據專用型運算放大器的性能指標，運算放大器可分為：低噪聲運放、精密運放、高速運放、低偏置電流運放、低漂移運放、低功耗/微功耗運放等。現在說明幾種不同類型的專用型運放及其應用技術。

低噪聲運放及其典型應用技術
以AD797為例。它是低噪聲、場效應管輸入(FET)運算放大器，最大輸入電壓噪聲最大值50nVpp。

AD797組成的低噪聲電荷放大器見圖1。此時放大作用取決于運放輸入端電荷的保持因素，即要求電容C_S上的電荷能被傳送到電容C_F，形成輸出電壓ΔQ/C_F。在放大器輸出端呈現的電壓噪聲等于放大器輸入電壓噪聲乘以電路的噪聲增益(1+(C_S/C_F))。

圖1　AD797組成低噪聲電荷放大器

該電路中存在3個重要的噪聲源：運放的電壓噪聲、電流噪聲和電阻R_b引起的電流噪聲。該電路利用“T”形網絡增大Rb的有效電阻值，改善了低頻截止點，但不能改變低頻時起支配作用的電阻R_b的噪；須選擇足夠大的R_b盡可能減小該電阻對整個電路噪聲影響。為了達到最佳特性，電路輸入端要對信號源內阻進行平衡(由電阻R_B1調整)；要對信號源電容進行平衡(由電容C_B1調整)。當C_B1值大于300pF時，電路噪聲能有效減小。

精密運放及其典型應用技術
以AD517為例。它是一種單片高精密運算放大器，具有激光調整的低失調電壓、低漂移等精密特性，具有內部補償和短路保護，能防止自鎖，具有超低偏置電流電路，偏置電流最大值1nA。管殼單獨引出(8腳)，使得管殼能單獨接到和輸入端等電位的點上，從而使管殼上雜散漏電減至最??；能屏蔽輸入電路，使其不受外部噪聲和電源瞬變的影響。

AD517組成微電流電壓轉換器的應用技術如圖2所示，該電路具有較高的靈敏度，缺點是失調電壓漂移和噪聲等輸入誤差會被增益放大，影響儀器性能，但AD517的精密特性可以彌補這個缺憾。由于AD517具有超低輸入電流的性能，必須采用防護技術，實現方法是在包裹高阻抗信號線的絕緣材料外部加一個低阻抗自舉電位，這個自舉電位與高阻抗線的電位保持相等，使絕緣體兩側沒有壓降，也就沒有漏電。防護體可作為屏蔽層減少噪聲拾取，并具有減少輸入線有效電容的附加功能。AD517的管殼單獨引到管腳8，使管殼也能接到防護電位上，從而真正消除了封裝絕緣材料上的電位漏電路徑，為敏感電路提供噪聲屏蔽。該電路給出了典型的反相防護連接圖，如果管腳8不接防護端，則應將它接地或接電源以減少噪聲。在許多儀表測量的場合，會遇到從高電壓源測量微弱電流的問題，在該類應用中，很有必要對輸入端采取一定的保護。AD517具有不同于其他器件的地方，故障形式是由于電流過大導致器件過熱而不是電壓擊穿，只要在受影響的輸入端串聯(lián)一個電阻即可解決問題。實際應用中，所設計儀器儀表的電路板安裝完畢后，通常要用高純度酒精徹底清洗，然后用消除電離的水漂清，再用氮收干，這樣可保持漏電最小，性能最佳。

圖2　AD517組成微電流電壓轉換器

視頻運放及其典型應用技術
以AD829為例。它是采用互補雙極型(CB)制造工藝的單片視頻運算放大器，具有優(yōu)異的直流特性，最大輸入失調電壓1mV，輸入失調電壓漂移0.3μV/℃，輸入電壓噪聲為1.7nV/Hz，輸入電流噪聲為1.5pA/Hz，共模抑制比和電源電壓抑制比均為120dB；具有常規(guī)補償；具有優(yōu)良的建立時間特性(至0.1%為90ns)：反相端驅動50Ω或75Ω同軸線時，AD829在3.58MHz和4.43MHz的相位不均勻性為0.04，增益不均勻性為0.02%。

圖3　視頻放大的典型應用

視頻放大的典型應用如圖3所示，此為同相輸入，可以通過改變接到管腳2的兩個電阻RF和R1阻值的大小來調節(jié)整個電路的增益20lg1+RFR1，也可接成反相輸入。管腳7接正電源，管腳4接負電源，應注意采用合適的電源退耦，最好采用多個電容并聯(lián)的形式(如1μF、0.1μF、0.01μF并聯(lián)組合)，使用5V電源時，能獲得最低的差分增益和差分相位誤差，取得優(yōu)良的視頻性能。當驅動多根電纜時，須在電纜的輸出之間加入高頻隔離。放大器輸出端串入75Ω電阻保證運放輸出與傳輸線的匹配，傳輸線末端并入75Ω電阻保證負載之間匹配，在增益G = 6dB時，差分增益誤差0.05%，相位增益誤差0.01，視頻性能優(yōu)良。注意，為減小信號源內阻與放大器輸入電容(約3pF)對電路交流特性的影響，應使信號源內阻小于1kΩ；有時需要在反饋電阻RF兩端并聯(lián)一個小電容(3pF)加以補償，若采用標準NTSC或PAL 或SECAM制式，且電路增益小于10dB和反饋電阻RF值小于500Ω，則補償電容可以不要；通常情況下，反饋電阻RF值小于1kΩ以有效減小放大器寄生電容對高頻特性的影響。