运算放大器(Operational Amplifier)
运算放大器(Operational Amplifier)是一种差分放大器，具有高输入电阻、低输出电阻、高开放增益（开环增益），并具有可放大+输入引脚与-输入引脚间的电压差的功能。
设计目标
| 输入 | 输入 | 输出 | 输出 | 频率 | 电源 | 电源 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ViMin | ViMax | VoMin | VoMax | f | Vcc | Vee |
| –10V | 10V | –10V | 10V | 100kHz | 15V | –15V |
设计说明
运放跟随器用于通过提供高输入阻抗和低输出阻抗来缓冲信号。运放跟随器通常用于驱动低阻抗负载、模数转换器(ADC) 和缓冲器基准电压。运放跟随器的输出电压等于输入电压。
- 使用运算放大器线性输出运行范围，通常在 AOL 测试条件下指定该范围。
- 小信号带宽由放大器的单位增益带宽决定。
- 检查数据表中的最大输出电压摆幅与频率间的关系图，以最大限度地减小转换导致的失真。
- 共模电压等于输入信号。
- 不要将电容负载直接放置在大于数据表推荐值的输出上。
- 如果驱动低阻抗负载，可能需要高输出电流放大器。
- 有关运算放大器线性运行区域、稳定性、转换导致的失真、电容负载驱动、驱动 ADC 和带宽的更多信息，请参阅设计参考 部分。
设计步骤
此电路的传递函数遵循：
V。=V
- 验证放大器是否可利用所提供的电源电压达到期望的输出摆幅。使用在 AOL 测试条件中给出的输出摆幅。放大器的输出摆幅范围必须大于设计所需的输出摆幅。
-14V≤V。≤14V
• 使用 ±15V 电源的 LM7332 的输出摆幅大于设计所需的输出摆幅。因此，满足该要求。
• 查看数据表中的输出电压与输出电流之间的关系曲线，验证是否可实现与所需输出电流对应的所需输出电压。
2. 验证在使用所提供的电源电压时不会超出放大器的输入共模电压。放大器的输入共模电压范围必须大于输入信号电压范围。
-15.1V≤Vicm≤15.1V
• 使用 ±15V 电源的 LM7332 的输入共模范围大于设计所需的输入共模范围。因此，满足该要求。
3. 计算最大程度地降低转换导致的失真所需的最小压摆率。
SR > 2 × Π × Vp × f = 2 × Π × 10 V ×100kHz = 6.28V / us
• LM7332 的压摆率为 15.2V/µs。因此，满足该要求。
4. 验证器件将有足够的带宽用于所需的输出信号频率。
fsignal < funity
100kHz < 7.5MHz
• 所需的输出信号频率小于 LM7332 的单位增益带宽。因此，满足该要求。
设计仿真
直流仿真结果
交流仿真结果
设计采用的运算放大器
LM7332
| Vss | 2.5V 至 32V |
|---|---|
| VinCM | 轨至轨 |
| Vout | 轨至轨 |
| Vos | 1.6mV |
| Iq | 2mA |
| Ib | 1µA |
| UGBW | 7.5MHz（±5V 电源） |
| SR | 15.2V/µs |
| 通道数 | 2 |
设计备选运算放大器
OPA192
| Vss | 4.5V 至 36V |
|---|---|
| VinCM | 轨至轨 |
| Vout | 轨至轨 |
| Vos | 5µV |
| Iq | 1mA |
| Ib | 5pA |
| UGBW | 10MHz |
| SR | 20V/µs |
| 通道数 | 1 |
以下器件用于先前所述的原始设计目标以外的电池供电或功率敏感型设计，在这些设计中需要降低系统总功耗。
LPV511
| Vss | 2.7V 至 12V |
|---|---|
| VinCM | 轨至轨 |
| Vout | 轨至轨 |
| Vos | 0.2mV |
| Iq | 1.2µA |
| Ib | 0.8nA |
| UGBW | 27KHz |
| SR | 7.5V/ms |
| 通道数 | 1 |
什么是运放跟随器
运放跟随器，是运放输出电压与运放输入电压相同，运放跟随器的运放放大倍数恒小于且接近1。
运放跟随器特点
运放跟随器的特点是，输入阻抗高，输出阻抗低，输入阻抗几兆欧姆；输出阻抗低，通常几十欧姆，或更低。
运放跟随器的作用
运放跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
运放隔离器输出运放近似输入运放幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。
运放跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。
运放跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出运放不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出运放又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。
为了阻抗匹配、提高带载能力。由于运放跟随器具有输入阻抗高，而输出阻抗低的特点，使得它在电路中可以完成阻抗匹配的功能，从而使下一级放大电路工作在更好的状态下。
