怎样选运算放大器？

作者：马玺

运算放大器（Operational Amplifier）是集成电路家族里用途最广的芯片种类之一，也是各大模拟半导体厂商的必有产品。简单来说，运算放大器就是一个低频及中频电子信号放大器。其基本结构为具有两个（同相、反相）高阻输入端和一个低阻输出端。其放大功能体现为输出电压值为两个输入端口电压的差值乘以运放增益（10K-1M）。假设运放增益为10K，同相与反相端电压差值为5mV，其输出电压值则为50V（事实上输出电压受到运放供电电源的限制，不可能超出电源范围）。那么为何又称之为运算放大器？因为在过去模拟计算机时代，就是由这种放大器实现了基本的加法、积分等数学运算功能，所以又称之为运算放大器。

运算放大器的电路符号如图1，V_OUT=增益*（V_IN+ - V_IN-）

图1：运算放大器的电路符号

运算放大器最基本的功能是放大电子信号，例如一般话筒的输出电压通常在微伏级，这样的信号用来驱动扬声器显然是不够的，这就需要一个电路对信号进行放大。可如果用运放去直接放大，所得到的放大结果也不一定就是我们想要的数值。

假设待放大的信号为5mV，我们需要的信号为5V，也就是说需要增益为10，用运放搭一个如图2所示的简单电路就可以实现。

图2

输入的小信号为V_IN，放大的输出信号为V_OUT，增益为G=1+R₁/R₂，当R₁/R₂=9的时候。增益就为10。

其推导过程也十分简单。设运放增益为A，因为运放的输入端口为高阻态，我们可理解为开路，

得出：V_OUT=A *｛V_IN-R_２/(R_２＋R₁) *V_OUT }

再得：V_OUT/V_IN=A-AR_２/(R_２＋R₁) *V_OUT/V_IN

得出：V_OUT/V_IN=1/｛1/A＋R_２/(R_２＋R₁)｝

由于A很大，1/A可以忽略，故得出：V_OUT/V_IN=1＋R₁/R₂

当然这个运算放大器的输出能力也是有上限的，其输出电压受到其供电电源的大小限制。假设运放使用+12V和-12V电源，那么输出的电压范围大致在-11V到+11V之间。

本文到目前为止都没有谈到信号的频率，上文所有内容都可以理解为在放大一个直流信号。事实上，现实应用中几乎都是放大交流信号，交流信号就必然有频率。处理交流信号，我们必须要了解运算放大器的一个重要特性，那就是运算放大器的增益是跟信号频率成反比的，也就是说频率增大几倍，增益就要减小几倍，所谓10K到1M的增益近乎只能在直流信号下保持为一个常数。以麦克风信号为例，人的声音频率为20-20KHz，上限频率（保持运放增益为常数的频率）为5Hz运放，则直流增益从1M下降为100，即下降了10000倍，相应的其上限频率就上升了10000倍，为50KHz，这样把增益控制在100以下，就可以放大50KHz以下的信号。以上特性就体现了运算放大器中的一个重要参数：增益带宽积GBW，就是中频增益放大器的带宽。

运放组成的电路可以说是五花八门，除了放大电路以外，还可以实现比较器、施密特触发器、ADC/DAC、有源滤波电路等。多个运放组合构成的电路，最经典的可能就是仪表放大器，生活中常见的电子血压计就包含这个电路。

电子血压计中气压传感器获取的脉搏波信号通常是毫伏，甚至微伏级别的模拟信号，这样的信号送给ADC肯定是不行的，必须经过小信号放大处理，一般采用仪表放大器电路（如图3，其实质为3个运放构成），这种电路在仪表应用中非常普遍，具有很高的共模抑制比。差分放大结构也可以完美匹配桥式测量电路。

图3：仪表放大器

以上我们只是看到了运放的基本功能以及典型应用，在实际产品的运放相关电路设计中，需要考虑的参数非常多，是模拟电路设计的难点之一。

如何为自己的设计选择一个合适的运放呢？首先，我们来看一下关于运算放大器的产品页面：

图4

简单在贸泽官网搜查放大器就会得出超过8500个料号，来自20多个供应商，包括多个知名原厂。

如图5所示，其目录式过滤器，罗列了运放的安装方式、通道数量、工作电压、输出能力、增益带宽积、共模抑制比、输入电压噪声密度等20余个参数。这个过滤器极大的简化了电子工程师的运算放大器选型工作。

图5

我们以寻找一个3通道（集成有三个运放单元的芯片）的运放IC为例，只需要在上面的过滤器中选择通道数为“3 Channel”，然后点击“应用过滤器”。

图6

就会出现如图7所示的3通道运放器。这里我们顺便看下“SR-转换速率”参数，这是一个非常容易被忽视的重要参数，SR就是压摆率，定义为当输入信号为阶跃信号时，运放输出电压单位时间内的转换速率，代表运放的输出响应性能。如果SR过低，将会导致输出带宽下降，信号失真。

图7

产品介绍

01、TLV910x通用运算放大器

Texas Instruments的TLV910x通用运算放大器具有出色的直流精度和交流性能，包括轨到轨输入/输出、低失调（±300μV，典型值）、低失调漂移（±0.5μV/°C，典型值）和1.1MHz带宽。TLV910x一款功能强大、低功耗、高性能运算放大器，适用于工业应用。

02、LTC6229 730MHz低失真运算放大器

Analog Devices Inc.的LTC6229 730MHz低失真运算放大器是双通道、非常快速、低噪声、轨到轨输出、单位增益稳定型运算放大器。LTC6229运算放大器具有890MHz的增益带宽积和500V/μs的高转换率。典型应用包括光学电子器件中的快速跨阻抗放大器、有源滤波器、视频放大器、高动态范围模数转换器和低电压高保真放大器。

03、MAX40018双通道毫微功耗运算放大器

Maxim Integrated的MAX40018双通道毫微功耗运算放大器每通道仅消耗400nA电源电流，非常适合用于便携式电池供电应用。MAX40018在1.7V至5.5V单电源电压下工作，并由为微控制器供电的同一1.8V、2.5V或3.3V标称电源供电。MAX40018具有轨到轨输出，单位增益稳定，具有9kHz增益带宽积 (GBP)。

运算放大器的参数与应用，复杂多样，千差万别，本文只是作了最浅显的基本介绍。针对具体的设计需求，选择一个完美的运放料号，还需要设计者去查阅大量的数据手册，尤其是其中各种参数曲线图。

作者：马玺

多年来深耕半导体产品的技术开发及市场营销。曾任职于梅特勒-托利多研发工程师，富士通半导体产品工程师，贸泽电子技术营销产品经理等职位。具有10多年国际知名企业电子半导体相关领域产品研发及技术营销专业背景，熟悉嵌入式系统、微控制器，存储器及无线领域相关的市场与技术。

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