集成运算放大器的选择策略与应用技术
摘要：针对集成运算放大器性能特点，分析了选择策略；就应用广泛的低噪声集成运放、精密集成运放、视频集成运放等专用型集成运算放大器及其典型应用技术进行了讨论，给出了相应的典型应用实例。
关键词：集成运算放大器；选择策略；应用技术
运放的选择策略
(1)设计目标的综合考虑
设计者必须综合考虑设计目标的信号电平，闭环增益，要求精度，所需带宽，电路阻抗，环境条件及其他因素，并把设计要求的性能转换成运放的参数，建立各个参数的取值以及它们随温度、时间、电流电压等变化的范围。
(2)深刻理解电路手册中特性指标的意义
不同的制造商可能给出不同的特性指标，这些指标可能是通过不同的测量技术获得的，这就给运放的选择带来了困难。为避免这些困难，设计者必须深刻理解电路手册中特性指标的意义，同时必须了解这些参数是如何测得的，然后把这些特性指标转换成对设计要求有意义的参数。
(3)选择具有最优性能价格比的运放
设计者必须把设计目标的性能、所选择器件的性能指标与价格联系起来，以最低的价格获得符合设计目标提出的物理、电气和环境要求。
运放的分类与几种典型应用
不同类型运放组成近百种运放系列，其中一部分是通用的，称为通用型运放：另一部分为特殊应用提供优化特性，称为专用型运放。通用型运放的各项性能指标都比一般的分立元件直接耦合放大电路有所改善，大致能够满足中等精度的要求，一般情况下无须调零即可使用。专用型运放为了适应特殊应用场合而具有优化特性。根据专用型运算放大器的性能指标，运算放大器可分为：低噪声运放、精密运放、高速运放、低偏置电流运放、低漂移运放、低功耗/微功耗运放等。现在说明几种不同类型的专用型运放及其应用技术。
低噪声运放及其典型应用技术
以AD797为例。它是低噪声、场效应管输入(FET)运算放大器，最大输入电压噪声最大值50nVpp。
AD797组成的低噪声电荷放大器见图1。此时放大作用取决于运放输入端电荷的保持因素，即要求电容CS上的电荷能被传送到电容CF，形成输出电压ΔQ/CF。在放大器输出端呈现的电压噪声等于放大器输入电压噪声乘以电路的噪声增益(1+(CS/CF))。
图1 AD797组成低噪声电荷放大器
该电路中存在3个重要的噪声源：运放的电压噪声、电流噪声和电阻Rb引起的电流噪声。该电路利用“T”形网络增大Rb的有效电阻值，改善了低频截止点，但不能改变低频时起支配作用的电阻Rb的噪；须选择足够大的Rb尽可能减小该电阻对整个电路噪声影响。为了达到最佳特性，电路输入端要对信号源内阻进行平衡(由电阻RB1调整)；要对信号源电容进行平衡(由电容CB1调整)。当CB1值大于300pF时，电路噪声能有效减小。
精密运放及其典型应用技术
以AD517为例。它是一种单片高精密运算放大器，具有激光调整的低失调电压、低漂移等精密特性，具有内部补偿和短路保护，能防止自锁，具有超低偏置电流电路，偏置电流最大值1nA。管壳单独引出(8脚)，使得管壳能单独接到和输入端等电位的点上，从而使管壳上杂散漏电减至最小；能屏蔽输入电路，使其不受外部噪声和电源瞬变的影响。
AD517组成微电流电压转换器的应用技术如图2所示，该电路具有较高的灵敏度，缺点是失调电压漂移和噪声等输入误差会被增益放大，影响仪器性能，但AD517的精密特性可以弥补这个缺憾。由于AD517具有超低输入电流的性能，必须采用防护技术，实现方法是在包裹高阻抗信号线的绝缘材料外部加一个低阻抗自举电位，这个自举电位与高阻抗线的电位保持相等，使绝缘体两侧没有压降，也就没有漏电。防护体可作为屏蔽层减少噪声拾取，并具有减少输入线有效电容的附加功能。AD517的管壳单独引到管脚8，使管壳也能接到防护电位上，从而真正消除了封装绝缘材料上的电位漏电路径，为敏感电路提供噪声屏蔽。该电路给出了典型的反相防护连接图，如果管脚8不接防护端，则应将它接地或接电源以减少噪声。在许多仪表测量的场合，会遇到从高电压源测量微弱电流的问题，在该类应用中，很有必要对输入端采取一定的保护。AD517具有不同于其他器件的地方，故障形式是由于电流过大导致器件过热而不是电压击穿，只要在受影响的输入端串联一个电阻即可解决问题。实际应用中，所设计仪器仪表的电路板安装完毕后，通常要用高纯度酒精彻底清洗，然后用消除电离的水漂清，再用氮收干，这样可保持漏电最小，性能最佳。
图2 AD517组成微电流电压转换器
视频运放及其典型应用技术
以AD829为例。它是采用互补双极型(CB)制造工艺的单片视频运算放大器，具有优异的直流特性，最大输入失调电压1mV，输入失调电压漂移0.3μV/℃，输入电压噪声为1.7nV/Hz，输入电流噪声为1.5pA/Hz，共模抑制比和电源电压抑制比均为120dB；具有常规补偿；具有优良的建立时间特性(至0.1%为90ns)：反相端驱动50Ω或75Ω同轴线时，AD829在3.58MHz和4.43MHz的相位不均匀性为0.04，增益不均匀性为0.02%。
图3 视频放大的典型应用
视频放大的典型应用如图3所示，此为同相输入，可以通过改变接到管脚2的两个电阻RF和R1阻值的大小来调节整个电路的增益20lg1+RFR1，也可接成反相输入。管脚7接正电源，管脚4接负电源，应注意采用合适的电源退耦，最好采用多个电容并联的形式(如1μF、0.1μF、0.01μF并联组合)，使用5V电源时，能获得最低的差分增益和差分相位误差，取得优良的视频性能。当驱动多根电缆时，须在电缆的输出之间加入高频隔离。放大器输出端串入75Ω电阻保证运放输出与传输线的匹配，传输线末端并入75Ω电阻保证负载之间匹配，在增益G = 6dB时，差分增益误差0.05%，相位增益误差0.01，视频性能优良。注意，为减小信号源内阻与放大器输入电容(约3pF)对电路交流特性的影响，应使信号源内阻小于1kΩ；有时需要在反馈电阻RF两端并联一个小电容(3pF)加以补偿，若采用标准NTSC或PAL 或SECAM制式，且电路增益小于10dB和反馈电阻RF值小于500Ω，则补偿电容可以不要；通常情况下，反馈电阻RF值小于1kΩ以有效减小放大器寄生电容对高频特性的影响。
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关键词：集成运算放大器；选择策略；应用技术
运放的选择策略
(1)设计目标的综合考虑
设计者必须综合考虑设计目标的信号电平，闭环增益，要求精度，所需带宽，电路阻抗，环境条件及其他因素，并把设计要求的性能转换成运放的参数，建立各个参数的取值以及它们随温度、时间、电流电压等变化的范围。
(2)深刻理解电路手册中特性指标的意义
不同的制造商可能给出不同的特性指标，这些指标可能是通过不同的测量技术获得的，这就给运放的选择带来了困难。为避免这些困难，设计者必须深刻理解电路手册中特性指标的意义，同时必须了解这些参数是如何测得的，然后把这些特性指标转换成对设计要求有意义的参数。
(3)选择具有最优性能价格比的运放
设计者必须把设计目标的性能、所选择器件的性能指标与价格联系起来，以最低的价格获得符合设计目标提出的物理、电气和环境要求。
运放的分类与几种典型应用
不同类型运放组成近百种运放系列，其中一部分是通用的，称为通用型运放：另一部分为特殊应用提供优化特性，称为专用型运放。通用型运放的各项性能指标都比一般的分立元件直接耦合放大电路有所改善，大致能够满足中等精度的要求，一般情况下无须调零即可使用。专用型运放为了适应特殊应用场合而具有优化特性。根据专用型运算放大器的性能指标，运算放大器可分为：低噪声运放、精密运放、高速运放、低偏置电流运放、低漂移运放、低功耗/微功耗运放等。现在说明几种不同类型的专用型运放及其应用技术。
低噪声运放及其典型应用技术
以AD797为例。它是低噪声、场效应管输入(FET)运算放大器，最大输入电压噪声最大值50nVpp。
AD797组成的低噪声电荷放大器见图1。此时放大作用取决于运放输入端电荷的保持因素，即要求电容CS上的电荷能被传送到电容CF，形成输出电压ΔQ/CF。在放大器输出端呈现的电压噪声等于放大器输入电压噪声乘以电路的噪声增益(1+(CS/CF))。
图1 AD797组成低噪声电荷放大器
该电路中存在3个重要的噪声源：运放的电压噪声、电流噪声和电阻Rb引起的电流噪声。该电路利用“T”形网络增大Rb的有效电阻值，改善了低频截止点，但不能改变低频时起支配作用的电阻Rb的噪；须选择足够大的Rb尽可能减小该电阻对整个电路噪声影响。为了达到最佳特性，电路输入端要对信号源内阻进行平衡(由电阻RB1调整)；要对信号源电容进行平衡(由电容CB1调整)。当CB1值大于300pF时，电路噪声能有效减小。
精密运放及其典型应用技术
以AD517为例。它是一种单片高精密运算放大器，具有激光调整的低失调电压、低漂移等精密特性，具有内部补偿和短路保护，能防止自锁，具有超低偏置电流电路，偏置电流最大值1nA。管壳单独引出(8脚)，使得管壳能单独接到和输入端等电位的点上，从而使管壳上杂散漏电减至最小；能屏蔽输入电路，使其不受外部噪声和电源瞬变的影响。
AD517组成微电流电压转换器的应用技术如图2所示，该电路具有较高的灵敏度，缺点是失调电压漂移和噪声等输入误差会被增益放大，影响仪器性能，但AD517的精密特性可以弥补这个缺憾。由于AD517具有超低输入电流的性能，必须采用防护技术，实现方法是在包裹高阻抗信号线的绝缘材料外部加一个低阻抗自举电位，这个自举电位与高阻抗线的电位保持相等，使绝缘体两侧没有压降，也就没有漏电。防护体可作为屏蔽层减少噪声拾取，并具有减少输入线有效电容的附加功能。AD517的管壳单独引到管脚8，使管壳也能接到防护电位上，从而真正消除了封装绝缘材料上的电位漏电路径，为敏感电路提供噪声屏蔽。该电路给出了典型的反相防护连接图，如果管脚8不接防护端，则应将它接地或接电源以减少噪声。在许多仪表测量的场合，会遇到从高电压源测量微弱电流的问题，在该类应用中，很有必要对输入端采取一定的保护。AD517具有不同于其他器件的地方，故障形式是由于电流过大导致器件过热而不是电压击穿，只要在受影响的输入端串联一个电阻即可解决问题。实际应用中，所设计仪器仪表的电路板安装完毕后，通常要用高纯度酒精彻底清洗，然后用消除电离的水漂清，再用氮收干，这样可保持漏电最小，性能最佳。
图2 AD517组成微电流电压转换器
视频运放及其典型应用技术
以AD829为例。它是采用互补双极型(CB)制造工艺的单片视频运算放大器，具有优异的直流特性，最大输入失调电压1mV，输入失调电压漂移0.3μV/℃，输入电压噪声为1.7nV/Hz，输入电流噪声为1.5pA/Hz，共模抑制比和电源电压抑制比均为120dB；具有常规补偿；具有优良的建立时间特性(至0.1%为90ns)：反相端驱动50Ω或75Ω同轴线时，AD829在3.58MHz和4.43MHz的相位不均匀性为0.04，增益不均匀性为0.02%。
图3 视频放大的典型应用
视频放大的典型应用如图3所示，此为同相输入，可以通过改变接到管脚2的两个电阻RF和R1阻值的大小来调节整个电路的增益20lg1+RFR1，也可接成反相输入。管脚7接正电源，管脚4接负电源，应注意采用合适的电源退耦，最好采用多个电容并联的形式(如1μF、0.1μF、0.01μF并联组合)，使用5V电源时，能获得最低的差分增益和差分相位误差，取得优良的视频性能。当驱动多根电缆时，须在电缆的输出之间加入高频隔离。放大器输出端串入75Ω电阻保证运放输出与传输线的匹配，传输线末端并入75Ω电阻保证负载之间匹配，在增益G = 6dB时，差分增益误差0.05%，相位增益误差0.01，视频性能优良。注意，为减小信号源内阻与放大器输入电容(约3pF)对电路交流特性的影响，应使信号源内阻小于1kΩ；有时需要在反馈电阻RF两端并联一个小电容(3pF)加以补偿，若采用标准NTSC或PAL 或SECAM制式，且电路增益小于10dB和反馈电阻RF值小于500Ω，则补偿电容可以不要；通常情况下，反馈电阻RF值小于1kΩ以有效减小放大器寄生电容对高频特性的影响。
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