运算放大器的对信号放大的影响和运放的选型

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由于运算放大器芯片型号众多，即使按照上述办法分类，种类也不少，细分就更多了，这对于初学者就难免犯晕。本节力求通过几个实际电路的分析，明确运算放大器的对信号放大的影响，最后总结如何选择运放。

CA3140的主要指标为：

项目                单位      参数

输入失调电压            μV       5000

输入失调电压温度漂移    μV/℃    8

输入失调电流            pA        0.5

输入失调电流温度漂移    pA/℃     0.005

   

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       5000

输入失调电流造成的误差       μV        0.0045

    合计本项误差为               μV       5000

    输入信号200mV时的相对误差  %         2.5

    输入信号100mV时的相对误差  %         5

    输入信号  25mV时的相对误差  %         20

    输入信号  10mV时的相对误差  %         50

    输入信号   1mV时的相对误差  %        500

    初步结论是：高阻运放的输入失调电流很小，它造成的误差远远不及输入失调电压造成的误差，可以忽略；而输入失调电压造成的误差仍然不小，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       200

输入失调电流温漂造成的误差   μV         0.001

    合计本项误差为               μV       200

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.1

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.2

    输入信号  25mV时的相对误差  %        0.8

    输入信号  10mV时的相对误差  %        2

    输入信号   1mV时的相对误差  %        20

    初步结论是：高阻运放的输入失调电流温漂很小，它造成的误差远远不及输入失调电压温漂造成的误差，可以忽略；在使用高阻运放时，由于失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。

    由于高阻运放的输入失调电流只有通用运放的千分之一，因此若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，几乎不会造成可明显察觉的误差。

HA5159的主要指标为：

项目                单位      参数

输入失调电压            μV       10000

输入失调电压温度漂移    μV/℃    20

输入失调电流            nA        6

输入失调电流温度漂移    pA/℃     60

   

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       10000

输入失调电流造成的误差       μV        54.5

    合计本项误差为               μV       10054

    输入信号200mV时的相对误差  %         5.0

    输入信号100mV时的相对误差  %         10.1

    输入信号  25mV时的相对误差  %        40.2

    输入信号  10mV时的相对误差  %        100.5

    输入信号   1mV时的相对误差  %        1005

    初步结论是：输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       500

输入失调电流温漂造成的误差   μV       13.6

    合计本项误差为               μV       513

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.3

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.51

    输入信号  25mV时的相对误差  %        2.05

    输入信号  10mV时的相对误差  %        5.14

    输入信号   1mV时的相对误差  %        51.4

    初步结论是：在使用高速运放时，由于失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。

   

    若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，造成误差如下：

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       10000

输入失调电流造成的误差       μV       109

    合计本项误差为               μV      10109

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       500

输入失调电流温漂造成的误差   μV       27.3

    合计本项误差为               μV       527

    初步结论：仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变，而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以，对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时，输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加，甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差，所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。

低功耗运放LF441的主要指标为：

项目                单位      参数

输入失调电压            μV       7500

输入失调电压温度漂移    μV/℃    10

输入失调电流            nA        1.5

输入失调电流温度漂移    pA/℃     15

   

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       7500

输入失调电流造成的误差       μV        13.6

    合计本项误差为               μV       7513

    输入信号200mV时的相对误差  %         3.8

    输入信号100mV时的相对误差  %         7.5

    输入信号  25mV时的相对误差  %        30.1

    输入信号  10mV时的相对误差  %        75.1

    输入信号   1mV时的相对误差  %        751

    初步结论是：输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       250

输入失调电流温漂造成的误差   μV       3.4

    合计本项误差为               μV       253

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.1

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.25

    输入信号  25mV时的相对误差  %        1.01

    输入信号  10mV时的相对误差  %        2.53

    输入信号   1mV时的相对误差  %        25.3

    初步结论是：在使用高速运放时，由于失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。

   

    若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，造成误差如下：

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       7500

输入失调电流造成的误差       μV       27.3

    合计本项误差为               μV       7527

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       250

输入失调电流温漂造成的误差   μV       6.8

    合计本项误差为               μV       257

    初步结论：仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变，而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以，对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时，输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加，甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差，所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。

精密运放OP07D的主要指标为：

项目                单位      参数

输入失调电压            μV       85

输入失调电压温度漂移    μV/℃    0.7

输入失调电流            nA        1.6

输入失调电流温度漂移    pA/℃     12

   

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV        85

输入失调电流造成的误差       μV        14.5

    合计本项误差为               μV       99.5

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.05

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.1

    输入信号  25mV时的相对误差  %         0.4

    输入信号  10mV时的相对误差  %         1.0

    输入信号   1mV时的相对误差  %         10

    初步结论是：精密运放输入失调电压和输入失调电流造成的误差不太大，而且可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差大于输入失调电流造成的误差。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       17.5

输入失调电流温漂造成的误差   μV       2.7

    合计本项误差为               μV       20.2

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.01

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.02

    输入信号  25mV时的相对误差  %        0.08

    输入信号  10mV时的相对误差  %        0.2

    输入信号   1mV时的相对误差  %        2.0

    初步结论是：在使用精密运放时，由于失调电压温度系数不大，造成的影响不大，使得它能够放大10mV以上的直流信号。

   

    若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，造成误差如下：

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       85

输入失调电流造成的误差       μV       29.1

    合计本项误差为               μV       114.1

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       17.5

输入失调电流温漂造成的误差   μV       5.5

    合计本项误差为               μV       23

    初步结论：仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变，而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以，对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时，输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加，甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差，所以这时需要考虑采用增加运放输入电阻或是降低运放输入失调电流。

高精度运放ICL7650的主要指标为：

项目                单位      参数

输入失调电压            μV       0.7

输入失调电压温度漂移    μV/℃    0.02

输入失调电流            nA        0.02

输入失调电流温度漂移    pA/℃     0.2

   

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV        0.7

输入失调电流造成的误差       μV        0.2

    合计本项误差为               μV        0.9

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.0004

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.0009

    输入信号  25mV时的相对误差  %         0.0035

    输入信号  10mV时的相对误差  %         0.0088

    输入信号   1mV时的相对误差  %         0.088

    初步结论是：高精密运放输入失调电压和输入失调电流造成的误差很小可以不调零。其中输入失调电压造成的误差大于输入失调电流造成的误差。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       0.5

输入失调电流温漂造成的误差   μV       0.05

    合计本项误差为               μV       0.55

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.0003

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.0005

    输入信号  25mV时的相对误差  %        0.0022

    输入信号  10mV时的相对误差  %        0.0055

    输入信号   1mV时的相对误差  %        0.055

    初步结论是：在使用高精密运放时，由于失调电压温度系数很小，几乎没有造成影响，使得它能够放大1mV以以下的直流信号。

   

    若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，造成误差如下：

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       0.7

输入失调电流造成的误差       μV       0.4

    合计本项误差为               μV       1.1

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       0.5

输入失调电流温漂造成的误差   μV       0.09

    合计本项误差为               μV       0.59

    初步结论：仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变，而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍，对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时，输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加，甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差。由于这些误差太小，不调零时的总误差不过2μV，所以忽略。

3．1 例一，运算放大器的对直流小信号放大的影响

这里的直流小信号指的是信号幅度低于200mV的直流信号。

为了便于介绍，这里采用标准差分电路。这里假定同相输入端的输入电阻为R1，同相输入端的接地电阻为R3，反相输入端的输入电阻为R2，反相输入端的反馈电阻为R4。运放采用双电源供电。假定R1=R2=10k欧姆，R1=R2=100k欧姆，这样放大电路的输入电阻=10k欧姆，运放的同相端和反相端的等效输入电阻=10k欧姆并联100k欧姆≈9.09 k欧姆，输入增益Av=10。

这里假定工作温度范围是0~50℃，所以假定调零温度为25℃，这样实际有效变化范围只有25℃，可以减小一半的变化范围。

还假定输入信号来自于一个无内阻的信号源，为了突出运放的影响，这里暂时不考虑线路噪声、电阻噪声和电源变动等的影响。

这里选用通用运放LM324、高阻运放CA3140、高速运放HA5159、低功耗运放LF441、精密运放OP07D、高精度运放ICL7650等6种运放来比较运算放大器的对直流小信号放大的影响。由于不同厂家的同种运放的指标不尽相同，这里运放的指标来自于中南工业大学出版社出版的《世界最新集成运算放大器互换手册》，所选的集成运算放大器指标如下：

LM324的主要指标为：

项目                单位      参数

输入失调电压            μV       9000

输入失调电压温度漂移    μV/℃    7

输入失调电流            nA        7

输入失调电流温度漂移    pA/℃     10

   

这样可以计算出，在25℃的温度下的失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       9000

输入失调电流造成的误差       μV        63.6

    合计本项误差为               μV       9063

    输入信号200mV时的相对误差  %         4.5

    输入信号100mV时的相对误差  %         9.1

    输入信号  25mV时的相对误差  %        36.3

    输入信号  10mV时的相对误差  %        90.6

    输入信号   1mV时的相对误差  %        906

    初步结论是：输入失调电压和输入失调电流造成的误差较大，但是可以在工作范围的中心温度处通过调零消除。其中输入失调电压造成的误差远远超过输入失调电流造成的误差。

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       175

输入失调电流温漂造成的误差   μV       2.3

    合计本项误差为               μV       177.3

    输入信号200mV时的相对误差  %         0.09

    输入信号100mV时的相对误差  %         0.18

    输入信号  25mV时的相对误差  %        0.71

    输入信号  10mV时的相对误差  %        1.77

    输入信号   1mV时的相对误差  %        17.7

    初步结论是：在使用LM324时，由于输入失调电压温度系数较大，造成的影响较大，使得它不适合放大100mV以下直流信号。若以上两项误差合计将更大。

   

    若其它条件不变，仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，造成误差如下：

这样可以计算出，在25℃的温度下的输入失调误差造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压造成的误差       μV       9000

输入失调电流造成的误差       μV        127.3

    合计本项误差为               μV       9127

这样可以计算出，0~25℃的温度漂移造成的影响如下：

项目                     单位      参数

输入失调电压温漂造成的误差   μV       175

输入失调电流温漂造成的误差   μV       4.5

    合计本项误差为               μV       179.5

    初步结论：仅仅运放的外围电阻等比例增加一倍，运放的输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差不变，而输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差随之增加了一倍。所以，对于高阻信号源或是运放外围的电阻较高时，输入失调电流和输入失调电流温漂造成的误差会很快增加，甚至有可能超过输入失调电压和输入失调电压温漂造成误差，所以这时需要考虑采用高阻运放或是低失调运放。

wangxutao

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