常見運算放大器型號的主要指標及選型

    由于運算放大器芯片型號眾多，即使按照上述辦法分類，種類也不少，細分就更多了，這對于初學者就難免犯暈。本節力求通過幾個實際電路的分析，明確運算放大器的對信號放大的影響，最后總結如何選擇運放。

CA3140的主要指標為：

項目                單位      參數

輸入失調電壓            μV       5000

輸入失調電壓溫度漂移    μV/℃    8

輸入失調電流            pA        0.5

輸入失調電流溫度漂移    pA/℃     0.005

  

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       5000

輸入失調電流造成的誤差       μV        0.0045

    合計本項誤差為               μV       5000

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         2.5

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         5

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %         20

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %         50

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        500

    初步結論是：高阻運放的輸入失調電流很小，它造成的誤差遠遠不及輸入失調電壓造成的誤差，可以忽略；而輸入失調電壓造成的誤差仍然不小，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調零消除。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       200

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV         0.001

    合計本項誤差為               μV       200

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.1

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.2

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        0.8

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        2

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        20

    初步結論是：高阻運放的輸入失調電流溫漂很小，它造成的誤差遠遠不及輸入失調電壓溫漂造成的誤差，可以忽略；在使用高阻運放時，由于失調電壓溫度系數較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。

    由于高阻運放的輸入失調電流只有通用運放的千分之一，因此若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，幾乎不會造成可明顯察覺的誤差。

HA5159的主要指標為：

項目                單位      參數

輸入失調電壓            μV       10000

輸入失調電壓溫度漂移    μV/℃    20

輸入失調電流            nA        6

輸入失調電流溫度漂移    pA/℃     60

  

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       10000

輸入失調電流造成的誤差       μV        54.5

    合計本項誤差為               μV       10054

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         5.0

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         10.1

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        40.2

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        100.5

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        1005

    初步結論是：輸入失調電壓和輸入失調電流造成的誤差較大，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調零消除。其中輸入失調電壓造成的誤差遠遠超過輸入失調電流造成的誤差。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       500

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       13.6

    合計本項誤差為               μV       513

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.3

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.51

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        2.05

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        5.14

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        51.4

    初步結論是：在使用高速運放時，由于失調電壓溫度系數較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。

  

    若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       10000

輸入失調電流造成的誤差       μV       109

    合計本項誤差為               μV      10109

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       500

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       27.3

    合計本項誤差為               μV       527

    初步結論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差，所以這時需要考慮采用高阻運放或是低失調運放。

低功耗運放LF441的主要指標為：

項目                單位      參數

輸入失調電壓            μV       7500

輸入失調電壓溫度漂移    μV/℃    10

輸入失調電流            nA        1.5

輸入失調電流溫度漂移    pA/℃     15

  

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       7500

輸入失調電流造成的誤差       μV        13.6

    合計本項誤差為               μV       7513

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         3.8

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         7.5

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        30.1

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        75.1

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        751

    初步結論是：輸入失調電壓和輸入失調電流造成的誤差較大，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調零消除。其中輸入失調電壓造成的誤差遠遠超過輸入失調電流造成的誤差。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       250

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       3.4

    合計本項誤差為               μV       253

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.1

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.25

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        1.01

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        2.53

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        25.3

    初步結論是：在使用高速運放時，由于失調電壓溫度系數較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。

  

    若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       7500

輸入失調電流造成的誤差       μV       27.3

    合計本項誤差為               μV       7527

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       250

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       6.8

    合計本項誤差為               μV       257

    初步結論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差，所以這時需要考慮采用高阻運放或是低失調運放。

精密運放OP07D的主要指標為：

項目                單位      參數

輸入失調電壓            μV       85

輸入失調電壓溫度漂移    μV/℃    0.7

輸入失調電流            nA        1.6

輸入失調電流溫度漂移    pA/℃     12

  

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV        85

輸入失調電流造成的誤差       μV        14.5

    合計本項誤差為               μV       99.5

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.05

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.1

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %         0.4

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %         1.0

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %         10

    初步結論是：精密運放輸入失調電壓和輸入失調電流造成的誤差不太大，而且可以在工作范圍的中心溫度處通過調零消除。其中輸入失調電壓造成的誤差大于輸入失調電流造成的誤差。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       17.5

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       2.7

    合計本項誤差為               μV       20.2

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.01

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.02

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        0.08

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        0.2

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        2.0

    初步結論是：在使用精密運放時，由于失調電壓溫度系數不大，造成的影響不大，使得它能夠放大10mV以上的直流信號。

  

    若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       85

輸入失調電流造成的誤差       μV       29.1

    合計本項誤差為               μV       114.1

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       17.5

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       5.5

    合計本項誤差為               μV       23

    初步結論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差，所以這時需要考慮采用增加運放輸入電阻或是降低運放輸入失調電流。

高精度運放ICL7650的主要指標為：

項目                單位      參數

輸入失調電壓            μV       0.7

輸入失調電壓溫度漂移    μV/℃    0.02

輸入失調電流            nA        0.02

輸入失調電流溫度漂移    pA/℃     0.2

  

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV        0.7

輸入失調電流造成的誤差       μV        0.2

    合計本項誤差為               μV        0.9

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.0004

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.0009

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %         0.0035

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %         0.0088

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %         0.088

    初步結論是：高精密運放輸入失調電壓和輸入失調電流造成的誤差很小可以不調零。其中輸入失調電壓造成的誤差大于輸入失調電流造成的誤差。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       0.5

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       0.05

    合計本項誤差為               μV       0.55

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.0003

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.0005

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        0.0022

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        0.0055

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        0.055

    初步結論是：在使用高精密運放時，由于失調電壓溫度系數很小，幾乎沒有造成影響，使得它能夠放大1mV以以下的直流信號。

  

    若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       0.7

輸入失調電流造成的誤差       μV       0.4

    合計本項誤差為               μV       1.1

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       0.5

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       0.09

    合計本項誤差為               μV       0.59

    初步結論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差。由于這些誤差太小，不調零時的總誤差不過2μV，所以忽略。

3．1 例一，運算放大器的對直流小信號放大的影響

這里的直流小信號指的是信號幅度低于200mV的直流信號。

為了便于介紹，這里采用標準差分電路。這里假定同相輸入端的輸入電阻為R1，同相輸入端的接地電阻為R3，反相輸入端的輸入電阻為R2，反相輸入端的反饋電阻為R4。運放采用雙電源供電。假定R1=R2=10k歐姆，R1=R2=100k歐姆，這樣放大電路的輸入電阻=10k歐姆，運放的同相端和反相端的等效輸入電阻=10k歐姆并聯100k歐姆≈9.09 k歐姆，輸入增益Av=10。

這里假定工作溫度范圍是0~50℃，所以假定調零溫度為25℃，這樣實際有效變化范圍只有25℃，可以減小一半的變化范圍。

還假定輸入信號來自于一個無內阻的信號源，為了突出運放的影響，這里暫時不考慮線路噪聲、電阻噪聲和電源變動等的影響。

這里選用通用運放LM324、高阻運放CA3140、高速運放HA5159、低功耗運放LF441、精密運放OP07D、高精度運放ICL7650等6種運放來比較運算放大器的對直流小信號放大的影響。由于不同廠家的同種運放的指標不盡相同，這里運放的指標來自于中南工業大學出版社出版的《世界最新集成運算放大器互換手冊》，所選的集成運算放大器指標如下：

LM324的主要指標為：

項目                單位      參數

輸入失調電壓            μV       9000

輸入失調電壓溫度漂移    μV/℃    7

輸入失調電流            nA        7

輸入失調電流溫度漂移    pA/℃     10

  

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       9000

輸入失調電流造成的誤差       μV        63.6

    合計本項誤差為               μV       9063

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         4.5

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         9.1

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        36.3

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        90.6

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        906

    初步結論是：輸入失調電壓和輸入失調電流造成的誤差較大，但是可以在工作范圍的中心溫度處通過調零消除。其中輸入失調電壓造成的誤差遠遠超過輸入失調電流造成的誤差。

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       175

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       2.3

    合計本項誤差為               μV       177.3

    輸入信號200mV時的相對誤差  %         0.09

    輸入信號100mV時的相對誤差  %         0.18

    輸入信號  25mV時的相對誤差  %        0.71

    輸入信號  10mV時的相對誤差  %        1.77

    輸入信號   1mV時的相對誤差  %        17.7

    初步結論是：在使用LM324時，由于輸入失調電壓溫度系數較大，造成的影響較大，使得它不適合放大100mV以下直流信號。若以上兩項誤差合計將更大。

  

    若其它條件不變，僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，造成誤差如下：

這樣可以計算出，在25℃的溫度下的輸入失調誤差造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓造成的誤差       μV       9000

輸入失調電流造成的誤差       μV        127.3

    合計本項誤差為               μV       9127

這樣可以計算出，0~25℃的溫度漂移造成的影響如下：

項目                     單位      參數

輸入失調電壓溫漂造成的誤差   μV       175

輸入失調電流溫漂造成的誤差   μV       4.5

    合計本項誤差為               μV       179.5

    初步結論：僅僅運放的外圍電阻等比例增加一倍，運放的輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差不變，而輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差隨之增加了一倍。所以，對于高阻信號源或是運放外圍的電阻較高時，輸入失調電流和輸入失調電流溫漂造成的誤差會很快增加，甚至有可能超過輸入失調電壓和輸入失調電壓溫漂造成誤差，所以這時需要考慮采用高阻運放或是低失調運放。