運算放大器 OP-Amp (一)

時常收到客人關於OP-AMP的查詢,設計電路時為特定應用選擇正確的運算放大器時仍然感到很困難

opamp新手固然不太能掌握當中原理,就算是有經驗的工程設計師在選擇OP-AMP時,亦有可能忽略了部份參數,而影響了產品的運作,因為有些是通用的,有些則噪聲低,有些則輸入阻抗高,等等。我就用OP-AMP做我第一篇基礎電子知識文章,從分類、應用及線路等,為大家由淺入深刻認識OP-AMP

運算放大器 (Operational Amplifier, 或簡稱op-amp)是許多電子設計的基本組成部分之一。 它們用途廣泛,幾乎可以在運用在任何應用中。使用範圍從簡單地將小信號放大到高級模擬信號處理。 在查看實際op-amp的現實情況的規格之前,將我介紹理想(ideal)的op-amp模型(這對之後的理解非常重要!)。當然,理想的模型只是方便簡化設計中涉及的數學運算,但在實踐中不存在。

理想運算放大器的一些特徵是:

 

  • 無限增益(gain)
  • 無限輸入阻抗(input impedance)
  • 無限帶寬(bandwidth)— 運算放大器的增益不受頻率的影響。
  • 無限的擺率(slew rate)— 運算放大器的輸出可以根據需要快速變化。
  • 零輸入偏置電流(input bias current)— 沒有電流流入輸入端。
  • 零輸入失調電壓(input offset voltage)— 運算放大器的輸入相等時,其輸出為零。

查看下面的實際參數時,請先記住這幾項「理想」參數。

參數指標

像許多IC一樣,op-amp也有多種規格需要牢記。 以下列表細分了運放系列在眾多應用的一般劃分。劃分好,之後對個別應用的參數要求更能容易理解。

  1. 音頻(Audio):這些運算放大器針對音頻的低噪聲和失真進行了優化。此類別的放大器沒有輸出功率級。
  2. 緩衝器(Buffer):運算放大器配置為模擬線路中的緩衝器,通常是單位增益。這些通常只有一個輸入,不能用作為一般的運算放大器。
  3. CMOS:即是運算放大器中使用的是CMOS工藝技術,而不是傳統的雙極工藝。CMOS運算放大器通常比雙極型器件具有更高的輸入阻抗和更低的功耗。
  4. 電流反饋(Current Feedback):運算放大器其輸出與電流成比例,而不是電壓。這類型運算放大器通常具有更快的壓擺率和不受頻率影響的增益。
  5. 電流檢測(Current Sense):一種運算放大器用於測量電阻兩端的小壓降,其中輸出電壓與通過電阻的電流成比例。
  6. 差分(Differential):從技術上講,所有運算放大器都是差分放大器,但通常是代表用於放大單個信號。這類型的差動被設計為放大兩個信號之間的差別。
  7. 儀表(Instrumentation):這些放大器通常由3個獨立的放大器組成。輸入先通過緩衝放大器,然後分別饋入差分放大器。這類放大器專為高精度、高輸入阻抗和高開環增益而設計。
  8. 隔離(Isolation):具有內置光電隔離器的運算放大器,可將輸入與輸出物理隔離。
  9. JFET:使用JFET工藝製造的運算放大器。與雙極型器件相比,它們具有更高的輸入阻抗和更低的輸入偏置電流。
  10. 限制(Limiting):可以在內部箝位輸出電壓的放大器。
  11. 對數(Logarithmic):放大器的輸出與輸入相對於參考的對數成正比。
  12. 功率(Power):具有輸出功率級的運算放大器,使其可以提供比典型運算放大器更多的電流。
  13. 可編程增益(Programmable Gain):具有可變增益的運算放大器,可以進行數字編程。這類型在封裝後可以通過選擇引腳或通過串行接口(如SPI)來完成。
  14. 採樣和保持(Sample and Hold):通常與模數轉換器(ADC)一起使用,這些放大器將保持足夠長的輸出值以完成轉換。
  15. 跨傳導(Transconductance):這類型放大器,它接受電壓輸入並產生電流輸出。
  16. 跨阻抗(Transimpedance):這類型放大器,其輸入電流並產生電壓輸出。
  17. 可變增益(Variable Gain):與可編程增益放大器相似,但是增益可以通過數字或模擬電壓進行控制。
  18. 電壓反饋(Voltage Feedback):除非指定為電流反饋放大器,否則所有運算放大器均使用電壓反饋。
  19. 零漂移(Zero-Drift):這類型的特點是低偏移(offset)電壓和隨溫度變化的低偏移漂移。

最後,如果產品沒有特別要求,我便歸納為「通用」。大多數運算放大器屬於「通用」類別。

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