运放基础知识与选型指南

1.什么是运放

（1）概要：

运放是运算放大器的简称。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。

集成电路运算放大器

种类很多，功能也多，电路也不一致，但是其内部结构框图基本上是一致的。由三部分组成：输入级，中间级，输出级。输入级由差分放大电路组成，利用他的电路对称性可提高整个电路的性能。中间电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可以由一级或多级放大电路组成；输出级的电压增益为1，但能为负责提供一定的功率，电路由两个电源V+和V-供电。整个电路设计成两个输入端P和N，一个输出端O。三端的电压分别用Vp，Vn，和Vo表示，P、N两端分别称为同相输入端和反相输入端，意即当P端加入电压信号Vp（Vn = 0）时，在输出端得到的电压Vo与Vp同相；当在N端加入电压信号Vn(Vp = 0)时，在输出端得到的输出电压Vo与Vp反相。一个世纪的集成运放，P、N与O端的电压信号的之间的关系是确定的。

输出电压Vo与差分放大输入级的两个输入端的关系：

Vo = Av（Vp – Vn）
（2）模型：

理想的运放电路分析有两大重要原则贯穿始终，即“虚短”与“虚断”。“虚短”的意思是正端和负端接近短路，即V+=V-,看起来像“短路”;“虚断”的意思是流入正端及负端的电流接近于零，即I+=I-=0,看起来像断路（因为输入阻抗无穷大）。

虚短：把两输入端视为等电位；
虚断：把两输出端等效为开路。

2.运放典型电路模型
（1）反相比例放大


（2）差分放大电路


（3）同相放大电路


（4）电压跟随电路

Vout=Vin

（5）仪器放大电路

选值要求：R4=R5,R6=R7,R8=R9（保持电路的对称性），R3为可调电阻，用于调节电路增益。电路输入输出的关系式如下：

（6）简单比较器


Av为运放的开环放大倍数（一般为100dB左右，即十万倍）。当V+大于V-时，输出为正饱和（接近VCC，但是无法达到）；当V-大于V+时，输出为负饱和（接近-VSS，但是无法达到）

(7)迟滞比较器

相比简单比较器，迟滞比较器只是增加了一个电阻R2。这将引起怎样的微妙变化呢？
通俗地说，R2在输入与输出之间搭起了一座桥梁，输出的变化可以通过R2传递至输入，然后比较器的阈值将随输出的变化而改变，达到了磁滞的目的。

如果需要定量分析，所有的比较器的原理都是一样的，利用运放的放大倍速为“无穷大”，将V+与V-之间的微弱电压差进行放大，达到饱和输出。

设计合适的Vth_H及Vth_L，使(Vth_H-Vth_L)大于杂波幅值，可以有效的避免因为输入信号上的杂波引起的误操作。

（8）窗口比较器

窗口比较器用于判别输入电压是否落在某一个范围之内，图是典型的窗口比较器。
其中，URH>URL，D1和D2不能省略，防止两个运放输出电平相反时损坏运放。比如，运放A1输出VOH，但是运放A2输出VOL,D1导通，但是D2截止，因此电流不会从A1流入A2,避免大电流损坏器件。
1）、Uin>URH>URL，A1输出UOH,A2输出UOL，D1导通，D2截止，Uout=UOH;
2）、Uin<URL<URH，A1输出UOL,A2输出UOH，D1截止，D2导通，Uout=UOH;
3）、URL< Uin<URH，A1输出UOL,A2输出UOL，D1截止，D2截止，Uout=UOL;

3.运放实际应用选型及相关参数

电压反馈型运放（VF）：电压反馈型放大器的-3DB带宽由R1、Rf和跨导gm共同决定，这就是所谓的增益帯宽积的概念，增益增大，带宽成比例下降。同时运放的稳定性有输入阻抗R1和反馈阻抗Rf共同决定。

电压反馈型的运放，增益带宽集是固定的，所以当增益变得很大的时候，带宽裕度就会变小，能够拥有的带宽就变小了，需要捕捉瞬态量的时候，需要运放的带宽有足够的裕度。

电流反馈型运放（CF）：而对于电流反馈型运放，它的增益和带宽是相互独立的，其-3DB带宽仅由Rf决定，可以通过设定Rf得到不同的带宽。再设定R1得到不同的增益。同时，其稳定性也仅受Rf影响。
（电压反馈型和电流反馈型不细说了，这里先做一个简单的认识）

FDA：全差分运算放大器（Fully differential amplifiers，FDA)是简单的单极管运算放大器的进阶，通常在电路中，全差分运放会作为运放的第一级，它的作用是用来对输入信号进行预放大，第二级通常会是一个双端输入，单端输出的运放，用来产生较大的增益，进而配合环路完成相应的功能（数字比较器，高速数字接口，远端采样，误差放大器等应用）

SNR:信噪比
THD：运放的总谐波失真（THD）是当运放的输入信号为纯的正弦波时（无谐波的正弦波），运放的输入信号中的各次谐波（2次，3次，至n次）的均方根值，与输出信号基波的RMS值之比
轨到轨运放：所谓轨对轨（rail-to-rail）运算放大器轨对轨放大器，指的是放大器输入和输出电压摆幅非常接近或几乎等于电源电压值
单电源运放：运放 单电源供电指 运放 只用一种电源供电，如DC 5V，DC 12V，单电源供电，输出只有一种电压，如输入 波形 是变化的，输出也只在正电压 波形 变化。

按实际应用分类：
（1）高精度运放
①称重系统
选型：OPA2388，高压选择OPA2819，都属于大带宽零温漂运放。
②仪器、实验器材
选型：输入阻抗要足够大（MOSFET输入的）
③高压、半导体测试台
选型：OPA462
④数据采集卡、通道多噪声要求高的，失真低的
选型：OPA2210
FDA:THP210
⑤仪表放大器，电压、电流、LCD检测，高精度，高共模抑制比
选型：INA821。

（2）高速运放
①ADC Driver
选型：FDA：THS4551、THS4561。
②模拟前端、数字示波器
选型：OPA810/2810(FET)输入阻抗高。
③输出Driver
选型：THS3491电流反馈型，增益和带宽可以独立。

（3）比较器产品
①高速、测量领域，对速度有要求的场合
选型：TLV2501/2
②低速场合
选型：TLV9032\TLV9022。
③通用，成本低，性价比高
选型：LM393B/LM2903B。

（4）通用运放
①高压，高侧电压检测
选型：OPAx9919(轨到轨)
②低压场合
选型：OPAx375，OPAx322。
③通用，成本低，性价比高
选型：LM358B/LM2904B。