OP放大器应用技巧100例
第1节 通用OP放大器概述
更新于2008-08-28 20:18:18

1.OP放大器的应用范围

OP放大器(Operational Amplifier)即运算放大器。电路符号用三角形表示, 如图1.1所示。电路图中若有三角形, 就应想到“这里使用了OP放大器” 。
OP放大器是将模拟信号放大的电路, 放大电路必须是负反馈电路。OP放大器加上负反馈回路, 使放大电路具有各种各样的特性。


图1.1OP放大器的符号及外观


下面是主要实现某种特性的电路:
·DC放大器——DC~低频信号的放大;
·音频放大器——数十Hz~数十kHz的低频信号的放大器;
·视频放大器——数Hz~数十MHz的视频信号的放大器;
·有源滤波器——数十kHz的高通滤波器, 低通滤波器, 带通滤波器, 陷波滤波器等;
·模拟运算——模拟信号的加法, 减法, 微分, 积分, 对数, 开方等;
·信号变换——电压电流, 电流电压, 绝对值变换, RMS变换等。
近来, 数字电路变成主导地位, 其次是模拟电路。但是, 信号的检出, 信号的测量部分是不可缺少的, 同时也是广泛使用的技术。OP放大器主要用途如图1.2所示。


图1.2应用OP放大器的场合


2.OP放大器电源电压

根据作者的经验, 对于低频电路来说, OP放大器的电源选用±12V容易制作;对于高频电路来说, OP放大器的电源选用±5V容易制作。
包含直流的低频电路, 通常输出电压为5~10V或更低。而如今使用OP放大器, 电源电压一般选用±12V。工作在10V输出电压时, 选用共模输出的OP放大器为好。要求输出电压在10V以上时, 温度范围宽, 如果电源选±12V, 那么工作就稍微有点吃力了。所以此时电源电压可选用±15V。
由于高频电路中OP放大器的损耗电流在数mA~数十mA或更大, 工作电压在±12V或±15V的OP放大器会发热。所以当高频信号小于等于1V时, 工作电压选用±5V就可以了。这样OP放大器的发热小。最近, 从OP放大器的产品手册发现又有了新的高频OP放大器的产品, 其最大电源电压可达±6V。
从我接手的工作来看, OP放大器的电源电压大致是定好的, 因为电源往往会很贵, 市场上标准的集成产品很多, 数字电路使用+5V, 模拟电路使用±12V或±5V, 这对于在不同的场合的应用是很有帮助的。
当电源只有+5V时, 也许就只能用单电源的OP放大器了。单电源的OP放大器不多, 比普通的OP放大器的价格要贵些。


图1.3DC-DC转换器产生OP放大器电源


使用DC-DC转换器的地方很多(图1.3所示), 因此电源电压的问题就解决了。+5V输入可转换成±12V输出。但是, 消除DC-DC转换器的噪声显得尤其重要。DC-DC转换器与开关电源基本相同, 会产生很大的开关噪声。
如图1.4为使用DC-DC转换器时所消除噪声的示例。LC滤波电路中, 对于高频低阻抗负载, 使用电容C1, C2是必要的, 表1.1为滤波电路中的电感参数, 表1.2为高频低阻抗电解电容的示例。


图1.4LC消除噪声电路示例


表1.1滤波用电感的性能参数
型号                             电感/μH               额定电流/A               公司
TSL0709-101KR66      100                         0.66                    TDK
822LY-101K                   100                         0.58                    东光
CLR8BB101                   100                         0.75                  富士电气化学
表1.2高频低阻抗电解电容工作参量
型号                           额定              阻抗/(Ωmax/20℃)              公司                                   备注
LXA16VB100M     100μF/16V        1.65(100kHz)       NIPPONCHEMI·CON      105℃ 保证时间7000
UPQ1C101M        100μF/16V        0.35(100kHz)             nichicon                          105℃ 保证时间5000
另外, 电解电容的阻抗, 特别是ESR(等价串联电阻), 随温度变低而变大, 其消除噪声的效果就越差。所以, 最近常使用OS电容。表1.3为OS电容的工作参数, OS电容的ESR的温度范围为-55~+105℃, 图1.5为各种电容的ESR的温度特性曲线。
表1.3OS型电解电容工作参量
型号                      额定          ESR/Ωmax          公司
16SC10M    10μF/16V              0.15               三洋电机
16SA100M    100μF/16V         0.045             三洋电机

由于近年来逻辑电路或电池供电的便携式系统用+3.3V代替了+5V,因此用+3.3V作为电源电压的电路设计变得十分重要。



图1.5电容的ESR温度特性(0.47μF, 100kHz)


3.通用OP放大器

通用OP放大器并没有什么特别之处, 主要是价格便宜, 在一般的应用中具有良好的性能。
在初期具有代表意义的通用OP放大器有μA709, μA741以及LM301A等等。特别是μA741, 在通用OP放大器中首次在其IC内部使用了相位补偿, 至今仍被大量应用, 是长命不衰的产品。但是, 741是双极型晶体管输入的OP放大器, 有偏置电流大的缺点。所以, LF356和TL071则制成了FET输入的OP放大器。
但是FET输入的OP放大器的缺点是补偿电压大, 所谓补偿电压如图1.6所示, 输入电压即使为零, 输出端也会出现电压。微弱的直流信号会被当作错误信号。为了克服补偿电压, LF411和AD711使用内部微调来降低补偿电压, 最近在便宜的OP放大器上也使用了内部微调技术。


图1.6输入补偿电压


另一方面, 至今用于音频的741有很好的交流特性和噪声特性。而RC4558和NE5532是用于音频的改造型, 后来又进行了更进一步的改造, 如LM833等也见于市场。音频OP放大器在交流和噪音等特性方面是非常优秀的。
MC33077是比较新的通用OP放大器, GB积(增益带宽积)为37MHz, 转换速率为11V/μs, 具有高速特征。GB积和转换速率如图1.7所示, 是判断OP放大器的交流特性的重要因素。
MC33077的补偿电压为0.13(1max)mV, 温漂为2μV/℃, 具有良好的直流特性。通用OP放大器也进入了直流特性和交流特性皆完美的时代。
NJM4580与LM833具有等同的AC特性, 但在DC特性方面有了更进一步的改善。OP275用于音频, 实际上可以得到平坦的频率特性。OPA604也用于音频, 但它却采用了少有的JFET输入形式, 转换速率大于25 V/μs, GB积也有20MHz。
有了这些通用OP放大器, 就不会再有窘迫感, 在电路中大量地使用好了。RC4558等二手货也很多, 寻找也方便, 不仅用于音频, 也可用于通用范围。


图1.7表示OP放大器的交流特性的转换速率和增益带宽积(GB积)


4.温度范围越宽的OP放大器其价格越高

对于一般的电子产品的使用温度, 其范围大体为0~50℃。而电路设计时要求组建的温度范围为-20~+70℃。OP放大器等IC类的温度范围如下:

  •  一般用为0~+70℃;
  •  通信工业用为-25~+85℃;
  •  军用规格为-55~+125℃。


选用通信工业用的IC, 一般没有问题。只是一般用OP放大器便宜, 通信工业用的价格太高。向许多公司询问过价格, 结果比一般用的贵很多。而且交货期也比一般用的长。
其中, 可以选用TI公司的TLC274AIN(-40~+85℃), 在FET输入的OP放大器中, 具有合适的价格和交货期。在双极性输入的OP放大器中, -40~+85℃的产品原来只有NEC公司的μPC844G2。这两种规格都是4封装(SO封装)
不只是OP放大器,超出通信工业用的温度使用范围的IC价格都很贵。对于不同的专业, 确定是否采用通信工业用IC是很重要的。一般在使用IC时, 要注意型号标记(表1.8所示)。型号标记表示了温度使用范围和封装类型。
表1.8各公司的标记的含义
(a) 表示封装的标记
封装类型        ADI                            NS                                     TI                     NEC
DIP封装          N                                N                              P(8脚)N(14脚)         C
SOP封装        R                                M                               PS(8脚)NS(14脚)    G2
MIL规格  H(合金)Q,D(DIP)     H(合金)D,J(DIP)      JG(8脚DIP)J(14脚DIP)
注: 最近, 为了节省空间, 使用小型的封装(例如, 微型SOP, 5引脚SOP)


5.一个封装内可含有1个、 2个、 4个电路

从前的OP放大器, 一个封装内只有一个放大器。但随着IC微细加工技术的进步, 与其他IC同样, OP放大器的封装尺寸变得更小, 一个封装内可含有2个放大器、 4个放大器。对于想使用多个OP放大器的用户, 不必增加IC的数量。而且OP放大器也开始低价格化。
图1.8给出了具有代表性的OP放大器的端子连接图。


图1.8通用OP放大器的端子连接图(本书末介绍了OP放大器的端子连接图)


一个封装内装有多个OP放大器的IC具有以下特征, 即同一封装里的各个OP放大器的输入偏置电流、 频率特性、 转换速率特性, 可以做得非常近似。
另一方面, 同一封装内不可能制出相同的补偿电压和补偿电流。
对于使用较多OP放大器的有源滤波器等, 使用单/四路OP放大器IC是非常有效的。但是, 多路OP放大器都不具有补偿电压的调整端子。
如果必须调整补偿电压时, 聪明的做法是使用具有调整端子的单路OP放大器。这是一种通过外部电路进行补偿电压调整的方法, 但一般会增加费用。


6.单路OP放大器的补偿电压较小

作者几乎在所有的场合都使用双路OP放大器。单路与双路相同, 都是8引脚封装, 所以双路在印制线路板实装时, 面积利用率高。与单路型相比, 约为双路型的实装面积的一半(实际上还应加上RC等元器件, 故实装面积应更小)。同样的道理, 四路型具有更好的面积利用率, 但设计线路图比较困难, 一般不被使用。其结果是使用方便的双路型备受欢迎。
单路也有其应用的地方。只用一个OP放大器时, 是不会勉强使用双路型的。必须进行补偿调整的电路时, 需要使用具有补偿调整端子的单路型OP放大器。
单路型的补偿电压较小,制成双路型、 四路型后, 补偿电压变大。
图1.9给出具有代表性的两个OP放大器(1个IC)构成的应用电路。


图1.9  2个OP放大器——双路OP放大器的电路

 

 

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