使用运算放大器时需要注意的几个问题

作者：ZHOUNACHU

算放大器最初诞生时是用来作为各种模拟信号的运算，这个名字后来一直沿用至今，但是现在已经不仅仅是所谓的“运算”了，如今它充当的角色更多的是“信号调理兼放大”。信号放大可以说是对模拟信号最基本的处理了，放大的本质是能量的控制和转换，它在输入信号的作用下，通过放大电路将直流电源的能量转化成负载所获得的能量，使得负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量，这也就说明，负载上总是获得比输入信号大得多的电压或者电流，有时这两种情况都发生。

以下是我们在使用运算放大器时需要注意的几个重要问题，我争取用最简单的原理图以“看图说话”的方式来说清楚我要表达的意思，以免给博友带来不必要的视觉疲劳，哈哈。

（1）首先应该好好理解运放的最简模型：

从运放的原理来说，我们可以将运放看成是一个压控电压源，其中，运放的输出由受控电压源提供，而受控电压源的控制电压就是输入端的差分电压，如下图所示：



（2）运放输出端的电流约束仍然遵循Kirchhoff电流定律：



这里不能认为流过反馈电阻Rf的电流和流过负载电阻RL的电流是相等的，因为电流i是“有机会”流入运放的输出端的，这是由芯片内部的构造决定的，尤其是高精度应用时应该好好提防这一点。

（3）使用运放时需要注意由电阻自身杂散电容而产生的影响：




这个反向比例运算电路的增益函数如下：



这里，C1会使得频率特性出现尖峰脉冲，而C2会使得高频领域的增益下降，从而导致频率特性恶化！对于一般的低频应用而言，这个因素是可以“视而不见”的，但是如果需要低噪声环境的话，就需要尽量减小Ri和Rf的阻值，因为这样可以减小杂散电容的影响，或者干脆使用高精度的电阻也行，如果开发成本允许的话。

（4）对于反馈系数的量化问题不应该含糊：



从这两个图可以看出，虽然他们的增益绝对值是一样的，都是1，说白了这两个电路都可以看作是一个电压跟随器。显然图（b）的负反馈系数要大，性能应该会更好，但是它防止振荡的能力却不如图（a）的电路，因为它对于信号的变化过于“敏感”。所以在实际设计电路时，对于反馈系数的量化问题是不能含糊的，它很大程度地决定了系统的“稳”、 “快”、“准”这三个方面。最终的电路设计应该是这三个方面的折中，以此达到传说中的性能最优化。

（5）单电源供电时需注意输出电压摆幅的问题：



如上图所示，由于是单电源供电，那么运放的两个输入端必须加有直流偏压，而且为了使电路的输出电压的动态范围最大化，一般要求VP=VN=VCC/2。此外，这里运放的输入、输出端的直流电位不为零，So，需要采用电容（C1、C2）来耦合信号。

（6）得注意运放的输入寄生电容：



由于运放的内部结构因素，导致运放具有数pF~数十pF的输入寄生电容，这自然使得运放的稳定性变差了，输入寄生电容会和输入电阻一起形成一个容易被人忽略的LPF，倘若输入信号的频率超过一定值，则就会丢失信息。这个频率值函数为：




为了解决这个问题，一般采用如下电路所示的方法：



由于输入寄生电容使得相位滞后，因此可以用超前相位的补偿来防止振荡，上图中的CF有相位超前的作用，有效地解决了寄生电容所带来的问题。通常CF取值要稍大于Ci。

（7）需要防止运放进入非线性区，除非该运放用于比较器电路：



这是一个很普通的积分电路。如果输入信号的频率过低的话，则没有反馈回路了，即此时电路处于开环状态，也就意味着运放的电压增益非常大，输出电压将极易进入非线性区，就失去信号放大的意义了。为此，我们可以在电容两端并联一个电阻来加以限制运放的增益。如下图，



（8）对于输出电阻应该知道是怎么回事：



对于图（a）来说，输出电阻由R决定，而对于图（b）来说，由于R放在反馈电路内部，所以它的输出阻抗非常低，驱动能力比图（a）所示电路显然要好。

以上只是运算放大器的使用注意事项中的几个点，更多的得需要我们在实践中不断总结，不断积累，以及借鉴前人的经验，只有这样，我们才能更好地认识和运用运算放大器，才有可能把前端信号调理地更好。