2.7.2 浅说运算放大器
运算放大器（Operational Amplifier，OP），后文简称运放。既然叫放大器，主要是用来放大信号的，是可以将模拟信号放大的器件，频率低到直流，高到数kHz、数MHz的信号都能放大，还可以做模拟运算，比如加、减，微、积分等。它还可以用来进行信号的变换。由于晶体管的电路复杂，设计也困难，运放的好处就越加明显。所以，必需要对运放有所了解。
运放有单电源和双电源之分，但我们总是希望用单电源，这样电源部分就很简单，双电源相对就麻烦得多，但在一些场合，却非得要双电源不可，为此多采用DC/DC将单电源变换成双电源等方法来实现。
运放也分普通运放和轨到轨（rail to rail）运放，如LMV358就是轨到轨运放。下面简单说一下它们的不同。如果运放的电源电压为VCC，那么对普通运放而言，无论输入是多少，输出永远达不到VCC，总会低于VCC，就像吃了“回扣”一样；而轨到轨运放就不会吃“回扣”，输出可以达到满幅的VCC。对于双电源供电的运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放就是轨到轨运放。
运放有单运放、双运放、多运放等，实际上就是一个芯片里封装了多少个运放。在选用时，可根据具体要求的电源电压、转换速率、温度特性、驱动容性负责的能力等进行确定。
运放的输入输出保护电路，当输入有可能超过设计幅值时，需要进行输入保护，比如用电阻和钳位二极管等。图2.69就是输入保护电路，当R1=100kΩ，输入100V时，电流限制在1mA，当输入电压超过V+，低于V-时，二极管导通，使输入钳位在V+和V-之间，起到保护作用。图2.70是恒流二极管保护电路，它限制输入电流在某个值。输出保护电路如图2.71和图2.72所示。图中电阻实现过载保护，二极管实现过电压保护。图2.71是同相输入时的输出保护电路，图2.72是反相输入时的输出保护电路。一个完善的电路一定会重视保护电路的设计。
图2.69 运放输入保护电路
图2.70 运放输入保护电路
图2.71 同相输入运放输出保护电路
图2.72 反相输入运放输出保护电路
单电源运放：我们总不希望使用复杂的正负电源，特别是电池供电的场合，常用的单电源运放有LM358、CA3160、OPA2237等。一定得注意，如果把双电源的运放作为单电源使用，可能会有意想不到的后果，会让你失望。比如一个跟随器电路，如图2.73所示。所谓跟随，即输入和输出为相同的电压，电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，可以看成是一个阻抗转换的电路，其作用是增加驱动能力。我们需要输入为0～5V，那么输出也是0～5V，如果用单电源轨到轨运放实现是没有问题的，但如果我们用双电源的运放作单电源使用，即使是使用轨到轨运放，其后果就是输入和输出不尽相同，比如输入为0V时，输出可能是5V，输入为5V时，输出为4.2V，但在1.5～4.2V之间输入和输出又是相同的。如果你认为双电源运放用在单电源上都是这样，那就又犯了经验主义的错误，偏偏就有一些双电源运放作为单电源使用没有这个问题。我用不同厂家的LM358测试，上述两种情况都出现过。介于此，最好的方法是使用单电源运放。
图2.73 运放跟随器电路
反相放大器如图2.74所示，它的增益为Vout=（-R2/R1）Vin，同相放大器如图2.75所示，它增益为Vout=（1+R2/R1）Vin，同相放大器有1/CMRR（CMRR共模抑制比）的误差，如果真要用同相放大器的话，选用CMRR大的就可以。
图2.74 反相放大器电路
图2.75 同相放大器电路
1.运放和电压比较器
对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。能够实现这种比较功能的电路称为比较器。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压进行比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，如图2.76所示。Vref为比较的基准，Vi为比较输入端，基准可以接在同相端，也可以接在反相端。
图2.76 比较器电路
比较器和运放虽然在电路图上符号相似，但这两种器件有非常大的区别，一般不可以互换，区别如下：
1）比较器的翻转速度快，大约在纳秒数量级，而运放翻转速度一般为微秒数量级（特殊的高速运放除外）。
2）运放可以接入负反馈电路，而比较器则不能使用负反馈，虽然比较器也有同相和反相两个输入端，但因为其内部没有相位补偿电路，所以如果接入负反馈，电路不能稳定工作。内部无相位补偿电路，这也是比较器比运放速度快很多的主要原因。
3）运放输出级一般采用推挽电路，双极性输出。而多数比较器输出级为集电极开路结构，所以需要上拉电阻，单极性输出，容易和数字电路连接。
4）比较器（如LM339和LM393）输出是集电极开路（OC）结构，需要上拉电阻才能有对外有输出电流的能力，而运放输出级是推挽的结构，有对称的拉电流和灌电流能力。另外，比较器为了加快响应速度，中间级很少，也没有内部的频率补偿。运放则针对线性区工作的需要加入了补偿电路。
2.运放的调零问题
一些精度不高的运放都有专门的调零引脚，加上一定的偏置电压就会使零位（失调电压）发生变化，但是实际效果很有限，据作者实际使用的经验，这类精度不高的运放，其失调电压的漂移较大，即使把零位调好了，过一段时间漂移往往又会偏移，或受温度的影响，或受干扰，就是要偏过来，偏过去，跟“墙头草”一样，风吹两边倒。运放调零是因为其输入失调电压和输入偏置电流引起的，在输入端没有电压输入时，输出端有个比较小的电压输出，这个电压就称为输出失调电压。为了减低输出失调电压，特别是运放用于直流放大时的影响，所以才需要调零。如图2.77所示为简单通用的调零电路。其集成芯片可选为OPA37、LH0044B等。由于调整网络（R1、R2和电位器R3构成）使用了正负电源（±l5V），所以几乎适用于任何运放调零。图中1、8脚为调零端，电阻R1和R2为大阻值电阻，对于LH0044B通常取为5MΩ左右，其上电流仅为几微安，加在R2上的可调电压使两路电流不平衡，以调整失调电压。当集成运放型号不同时，R1和R2的阻值也不同。
图2.78a、b为有调零端运放的调零电路，图c、d为无调零端的调零电路。调零时将输入端对地短路，使输出为0即可。当今的运放对称性好，失调小，已没有专门的调零端了，可以引入深度负反馈来抑制零点漂移。在要求不高的情况下，不另加调零也是可以的。采用自稳调零运放就更加简单了，如AD8539低功耗、精密、自稳零型运算放大器，又如ICL7650，ICL7650B斩波自稳零型运算放大器。高精度的运放通常都没有调零引脚，因为不需要外加调零。
图2.77 调零电路
图2.78 调零电路
3.退耦与旁路
负载的变化（比如电容的充放电，信号的跳变等）会引起电流的变化，这些变化就是噪声的来源，它会通过线路传到前级，甚至影响前级的正常工作，这种影响就是耦合所致。所谓耦合，就是通过某种途径将一些信号传递到其他电路中的过程。去耦就是要打破这种传播途径，去耦电容就相当于一个容器，这个电容相当于在本地形成了一个单独的电源，电流变化可以就地取电，而不需要到远处去取电，这样就可以把电流变化引起的干扰就地消灭，不让干扰到处乱窜。我们看到常用微法级的电容来去耦，如10μF、100μF等。退耦大都是在诸如音频放大之类的电路里的说法，它是把输出电流变化引起的干扰作为滤除对象，比如在音频电路里，音量的变化会引起电流的变化，这个电流的变化会产生干扰，其频率也在音频范围内。旁路是提供一条快捷消灭电流变化产生的干扰的途径，其实质就是去耦合的作用，所以电容容量也稍大一些。泄放高频信号带来干扰的电路，就是旁路。高频干扰除了电路本身外，还可能来自外部，能从外部窜入频率都比较高，所以常用0.01μF的电容来实现。旁路多在数字电路里提及，也有叫退耦的，真要这样说其实也在情理之中，因为它们也是为了去除干扰，没有明确地定义时，也不为过。去耦也罢，旁路也好，但我们必须知道一个事实，那就是电容的容量与频率的关系，万不要以为有大容量的电容就可以不要小容量的电容。其原因是容量大小不同，它的分布电感不同，这都与制造工艺有关，要知道理想的电容是不存在的。由此可以知道，用大容量的电容无法代替多个小容量的电容，大容量电容的电感量大一些，高频信号不易通过，小容量的电容电感量小，易于通过高频信号，往往在使用大容量的电容时，旁边还有个小容量的电容，就是这个原因。所以说认为电容越大滤波效果越好就是误解，应该与频率关联起来，才能正确理解电容的滤波效果。
有资料说，电源轨道上的小容量的电容（比如0.1μF的）叫旁滤电容（Bypass Cap），大容量的电容（1μF以上的）叫退耦电容（Decoupling Cap），旁路电容功能是过滤掉外来高频干扰噪声（20MHz以上的），退耦电容的作用是消除和削弱因负载电流波动对公共电源轨道的影响。按此说法就能很明确的定义出退耦与旁路的概念，这个说法既合情又合理。
去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F选用，即10MHz取0.1μF，100MHz取0.01μF。滤波电容：100～1000μF（5～15V的电源电压），外加0.1μF旁路。退耦电容：10～470μF电源供电同上，外加0.1μF旁路。旁路电容：0.01μF、0.1μF等。
退耦不要只想到用电容的方法，还可以采用别的方法，比如图2.79所示的加电阻的方法。加入退耦电阻R3后，可以进一步提高退耦效果，因为电路中B点的信号电压被R3和Cl（容抗）构成的分压电路进行了衰减，比不加入R3时的A点信号电压还要小，直流电流流过退耦电阻R3后有电压降，这样降低了前级电路的直流工作电压。
图2.79 退耦电容电路
4.如何选用运放
再好的电路设计，没有好的元器件支撑，也是白搭。我们的产品设计未必不好，可能就被不好的元器件给“坑”了。不光是运放的选择，所有元器件的选择都是必修课。选择的准则是够用再加点余量，同时还要考虑成本等诸多因素。