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運(yùn)算放大器核心是一個(gè)差動(dòng)放大器。
就是兩個(gè)三極管背靠背連著。共同分擔(dān)一個(gè)橫流源的電流。三極管一個(gè)是運(yùn)放的正向輸入，一個(gè)是反向輸入。正向輸入的三極管放大后送到一個(gè)功率放大電路放大輸出。
這樣，如果正向輸入端的電壓升高，那么輸出自然也變大了。如果反相輸入端電壓升高，因?yàn)榉聪嗳?jí)管和正向三級(jí)管共同分擔(dān)了一個(gè)恒流源。反向三級(jí)管電流大了，那正向的就要小，所以輸出就會(huì)降低。因此叫反向輸入。
當(dāng)然，電路內(nèi)部還有很多其它的功能部件，但核心就是這樣的。
數(shù)字電路即為TTL或C-MOS邏輯電路，而談到模擬電路，首先就應(yīng)想到運(yùn)算放大器。但是，這里講的運(yùn)算放大器是怎樣一個(gè)器件呢?
簡(jiǎn)而言之，運(yùn)算放大器是具有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，以極大的放大率將兩輸入端之間的電壓放大之后，傳遞到輸出端的一種放大器。
如果以電路符號(hào)來表示運(yùn)算放大器，則如右圖，可表示為三角形。它的兩個(gè)輸入部分分別叫做非倒相輸入(1N＋)和倒相輸入(IN－)。它以極大的放大率將倒相輸入端與非倒相輸人端之間的電壓放大，然后從輸出端(OUT)輸出。
在一個(gè)封裝之中，放入一個(gè)運(yùn)算放大器電路的稱為單(Single)運(yùn)算放大器，放入兩個(gè)運(yùn)算放大器電路稱為雙(Dual)運(yùn)算放大器，放入四個(gè)運(yùn)算放大器電路，稱為四(Quad)運(yùn)算放大器。使用四運(yùn)算放大器的電路，比使用單、雙運(yùn)算放大器組裝的電路板，面積可變得更小。在幾乎所有的封裝中，若為單運(yùn)算放大器，則使用管殼型封裝或8引腳雙列式封裝；若為雙運(yùn)算放大器，則使用8引腳雙列式封裝；若為四運(yùn)算放大器，則使用14引腳雙列式封裝。并且，在一般情況下，引腳的排列一般是通用的，盡管也有例外，對(duì)業(yè)余愛好者使用的運(yùn)算放大器來講，可能只會(huì)使用以上幾種封裝方式。因此，弄清這種引線的分布方式，將非常方便。
運(yùn)算放大器在電路中發(fā)揮重要的作用，其應(yīng)用已經(jīng)延伸到汽車電子、通信、消費(fèi)等各個(gè)領(lǐng)域，并將在支持未來技術(shù)方面扮演重要角色。在運(yùn)算放大器的實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常遇到諸如選型、供電電路設(shè)計(jì)、偏置電路設(shè)計(jì)、PCB 設(shè)計(jì)等方面的問題。在電子工程專輯網(wǎng)站舉行的《運(yùn)算放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)》專題討論中，圣邦微電子有限公司總裁張世龍先生應(yīng)邀回答與工程師進(jìn)行互動(dòng)。我們也基于此專題討論，總結(jié)出了運(yùn)算放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)的幾個(gè)技巧，以饗讀者。
一、如何實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)放大？
傳感器+運(yùn)算放大器+ADC+處理器是運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用電路，在這種應(yīng)用中，一個(gè)典型的問題是傳感器提供的電流非常低，在這種情況下，如何完成信號(hào)放大？張世龍指出，對(duì)于微弱信號(hào)的放大，只用單個(gè)放大器難以達(dá)到好的效果，必須使用一些較特別的方法和傳感器激勵(lì)手段，而使用同步檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)可以得到非常好的測(cè)量效果。這種同步檢測(cè)電路類似于鎖相放大器結(jié)構(gòu)，包括傳感器的方波激勵(lì)，電流轉(zhuǎn)電壓放大器，和同步解調(diào)三部分。他表示，需要注意的是電流轉(zhuǎn)電壓放大器需選用輸入偏置電流極低的運(yùn)放。另外同步解調(diào)需選用雙路的 SPDT 模擬開關(guān)。
另有工程師朋友建議，在運(yùn)放、電容、電阻的選擇和布板時(shí)，要特別注意選擇高阻抗、低噪聲運(yùn)算和低噪聲電阻。有網(wǎng)友對(duì)這類問題的解決也進(jìn)行了補(bǔ)充，如網(wǎng)友“1sword”建議：
電路設(shè)計(jì)時(shí)注意平衡的處理，盡量平衡，對(duì)于抑制干擾有效，這些在美國國家半導(dǎo)體、BB(已被 TI收購)、ADI 等公司關(guān)于運(yùn)放的設(shè)計(jì)手冊(cè)中均可以查到。
推薦加金屬屏蔽罩，將微弱信號(hào)部分罩起來(開個(gè)小模具)，金屬體接電路地，可以大大改善電路抗干擾能力。
對(duì)于傳感器輸出的 nA 級(jí)，選擇輸入電流 pA 級(jí)的運(yùn)放即可。如果對(duì)速度沒有多大的要求，運(yùn)放也不貴。儀表放大器當(dāng)然最好了，就是成本高些。
若選用非儀表運(yùn)放，反饋電阻就不要太大了，M 歐級(jí)好一些。否則對(duì)電阻要求比較高。后級(jí)再進(jìn)行 2 級(jí)放大，中間加入簡(jiǎn)單的高通電路，抑制 50Hz干擾。
二、運(yùn)算放大器的偏置設(shè)置
在雙電源運(yùn)放在接成單電源電路時(shí)，工程師朋友在偏置電壓的設(shè)置方面會(huì)遇到一些兩難選擇，比如作為偏置的直流電壓是用電阻分壓好還是接參考電壓源好？有的網(wǎng)友建議用參考電壓源，理由是精度高，此外還能提供較低的交流旁路，有的網(wǎng)友建議用電阻，理由是成本低而且方便，對(duì)此，張世龍沒有特別指出用何種方式，只是強(qiáng)調(diào)雙電源運(yùn)放改成單電源電路時(shí)，如果采用基準(zhǔn)電壓的話，效果最好。這種基準(zhǔn)電壓使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到最小的噪聲和最高的PSRR。但若采用電阻分壓方式，必須考慮電源紋波對(duì)系統(tǒng)的影響，這種用法噪聲比較高，PSRR 比較低。
三、 如何解決運(yùn)算放大器的零漂問題？
有網(wǎng)友指出，一般壓電加速度傳感器會(huì)接一級(jí)電荷放大器來實(shí)現(xiàn)電荷——電壓轉(zhuǎn)換，可是在傳感器動(dòng)態(tài)工作時(shí)，電荷放大器的輸出電壓會(huì)有不歸零的現(xiàn)象發(fā)生，如何解決這個(gè)問題？
對(duì)此，網(wǎng)友“Frank”分析道，有幾種可能性會(huì)導(dǎo)致零漂：
反饋電容 ESR 特性不好，隨電荷量的變化而變化；
反饋電容兩端未并上電阻，為了放大器的工作穩(wěn)定，減少零漂，在反饋電容兩端并上電阻，形成直流負(fù)反饋可以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)；
可能挑選的運(yùn)算放大器的輸入阻抗不夠高，造成電荷泄露，導(dǎo)致零漂。
網(wǎng)友“camel”和“windman”還從數(shù)學(xué)分析的角度對(duì)造成零漂的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，認(rèn)為除了使干擾源漂移小以外還必須使傳感器、纜線電阻要大，運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗要高、運(yùn)放的反饋電阻要小，即反饋電阻的作用是為了防止漂移，穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。但是反饋電阻太小的話，也會(huì)影響到放大器的頻率下限。所以必須綜合考慮！
而嘉賓張世龍則建議，對(duì)于電荷放大器輸出電壓不歸零的現(xiàn)象，一般采用如下辦法來解決：
采用開關(guān)電容電路的技巧，使用 CDS采樣方式可以有效消除 offset 電壓；
采用同步檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)，可以有效消除 offset 電壓。
名詞解釋：
* 什么是運(yùn)算放大器？
運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”)是調(diào)節(jié)和放大模擬信號(hào)的器件，多用于做模擬運(yùn)算的放大器, 主要的特點(diǎn)是差分輸入/單端輸出/直流耦合/輸入輸出工作點(diǎn)都在 0V等特點(diǎn), 除了功率運(yùn)放外一般不要求輸出大的功率.。常見的應(yīng)用包括數(shù)字示波器和自動(dòng)測(cè)試裝置、視頻和圖像計(jì)算機(jī)板卡、醫(yī)療儀器、電視廣播設(shè)備、航行器用顯示器和航空運(yùn)輸控制系統(tǒng)、汽車傳感器、計(jì)算機(jī)工作站和無線基站等。
什么是死區(qū)，零偏，零漂，回滯？
死區(qū)：指輸入信號(hào)變化而輸出信號(hào)沒有相應(yīng)變化的范圍；
零偏：系統(tǒng)非“0”工作狀態(tài)、固定1個(gè)“靜態(tài)”輸出的“偏置”；
零漂：因系統(tǒng)穩(wěn)定性差，輸出“零點(diǎn)”隨機(jī)偏離原點(diǎn)的變化；
回滯：輸入信號(hào)正反向變化到同一值，輸出是2個(gè)不同值，這種特性叫“回滯”
（不知道你問的是哪個(gè)專業(yè)，不好舉例說明）
死區(qū)是二極管或三極管輸入電壓未達(dá)到一定值時(shí),輸出無信號(hào),這個(gè)值是死區(qū)電壓
零偏是放大器基極電壓為零,也叫零偏置
零漂是放大器輸入為零時(shí)輸出不為零,也叫零點(diǎn)漂移
