本文旨在回顾运算放大器的实际应用，解释其技术规格中的一些基本参数，并展示其作为重要组成部分的一些潜在应用。.
运算放大器：一个不起眼的元件
运算放大器（OP）最早出现于20世纪40年代，当时人们提出了高增益直流耦合电压放大器的概念，并采用了热电子真空管。早期的运算放大器迅速应用于从雷达到模拟计算机等各种领域，其用途也日益广泛。如今，运算放大器几乎是所有电子设备的基础，从健身手表到工业机器人、自动驾驶汽车和通信卫星，无一例外。.
最流行的运算放大器之一是 741，至今仍在生产。虽然它并非首款单片半导体集成电路运算放大器（这一头衔属于 Fairchild 702），但 Fairchild µA741 迅速成为几乎所有设计的基准运算放大器。该芯片于 1968 年发布，至今仍在生产，并由众多供应商以引脚兼容的封装形式销售，例如意法半导体 ( STMicroelectronics) 和 德州仪器 (Texas Instruments)。
图 1：STMicroelectronics 通用多级 UA741CD 运算放大器的内部原理图（来源：ST）。.
通常，运算放大器（运放）具有非平衡输出和反相及同相差分输入。当用作开环放大器时，其高增益可产生比输入端电位差高数千倍的输出电压。运放常用于闭环配置（图 2），通过负反馈来限制和控制增益，以满足应用需求。运算放大器的输出电压受电源电压的限制，与增益规格无关。.
图 2：通过 R2 进行负反馈的同相闭环运算放大器（来源：Mouser）。.
从图 2 可以看出同相放大器的增益；输出电压 (Vout) 由电阻 R1 和 R2 决定。.
运算放大器可以配置为差分放大器、电压跟随器、微分器或积分器。它们适用于各种应用，最常见的应用包括有源滤波器、电平转换器、缓冲器、信号调理器、小信号放大器（AC/DC）和函数发生器。简而言之，它们几乎是任何设备的理想组件。.
为了理解运算放大器的工作原理，了解理想的运算放大器应具备以下特性会很有帮助：
- 无限差分电压增益：输出电压仅取决于输入电压和反馈电路。.
- 输入电阻无穷大，因此任何输入端都不会有电流。.
- 输出电阻为零，因此负载不会影响放大器的性能。.
- 无限带宽，因此可以适应直流和任何频率，而不会改变相位或增益。.
- 当差分输入为零时，输出也为零。.
如果您想查看有关运算放大器基础知识和一些常用电路配置的实用信息图，可以从 Mouser 下载： https://emea.info.mouser.com/opamp-reference?pid
实际应用中的运算放大器
要理解自适应光学器件的工作原理，使用理想器件会很有帮助，但实际上，所有自适应光学器件都具有工程师必须充分了解的某些特性。.
在本文的这一部分，我们将解释AO技术规格中一些最重要的参数。根据应用类型，其中一些标准可能会直接影响您选择的设备。.
输入失调电压： 在理想运算放大器中，当差分输入为零时，输出电压也应为零。然而，由于器件制造过程中的细微差异，并非所有晶体管的栅极都完全相同。输入失调电压是指为了产生零伏输出（Vio），必须施加在差分输入端的电压。典型的 Vio 值变化范围很大，从几微伏到几百毫伏不等。在测量极低的输入电压时，Vio 是一个重要的影响因素，因为这会导致输出电压读数不准确。
输入偏置电流： 这是到达差分输入端的非预期电流。它通常由漏电流引起，其数值会因加工工艺而异，但当输入端附近存在偏置元件时也会产生输入偏置电流。即使输入偏置电流 (Iib) 非常小（通常为 pA 或 nA 级），也会导致高阻抗输入电路的电压显著下降，从而影响输出。
增益带宽积 (GBP)： 该参数反映了运算放大器在一定频率范围内的性能。通常，增益会随着频率的增加而逐渐降低。它表示增益下降 20 dB 时的频率。
轨到轨输入： 具有轨到轨输入的运算放大器可以适应 +Vcc 和 -Vcc 之间的输入电压。
轨到轨输出： 与前一个元件一样，运算放大器的输出电压可以从 +Vcc 到 -Vcc。
开关速度： 开关速度决定了运算放大器的输出响应输入信号变化的速度。在高频应用中，这一因素至关重要，因为如果输出无法跟上输入的变化速率，信号就会失真。开关速度的单位是毫伏/秒 (mV/s)，输出电压的范围可以是峰值的 10% 到 90%（图 3）。
图 3：考虑输入信号变化时运算放大器的变化率测量（来源：TI）。.
输入电容： 运算放大器的输入电容会随着输入信号频率的增加而影响其性能。该因素的重要性取决于具体应用。测量电池电压时，输入电容的影响并不显著；但对于有源滤波器或超声波信号，则必须加以考虑。
噪声水平： 与许多其他元件一样，运算放大器也存在各种噪声源，例如热噪声或 1/f 噪声，这些噪声源会在没有输入信号时将噪声引入输出信号。对于高增益、高带宽的应用，建议选择低噪声水平的运算放大器。
零偏差： 如上所述，输入失调电压等因素的影响取决于温度和时间。在零偏差运算放大器中，采用输入切换或截止技术来消除这些影响。
当前功耗： 在许多应用中，能耗正成为关注重点，这不仅是为了优化能源效率，也是为了延长电池寿命，尤其是在物联网/集成电路传感器领域。运算放大器 (OPA) 的功耗远低于其他集成电路 (IC)，例如微控制器。然而，有些运算放大器的功耗特别低，每个输入端的运行电流低至 900 nA，是电池供电应用的理想选择。
运算放大器示例
半导体供应商通常会根据器件规格将其运算放大器产品线划分为不同的类别，从而优化产品组合。例如，意法 （ST） 将其产品分为低功耗、低输入失调电压、高压、精密、轨到轨和高速产品。 亚德诺半导体（ADI） 也采用类似的方法，针对特定应用领域对产品进行分类。
ST TSZ121系列 是一款精密运算放大器，具有低输入失调和零漂移等特点。它提供多种封装（单路、双路或四路），是一款轨到轨输入/输出器件。其输入电压范围为1.8至5.5V直流，最大低功耗为40µA（5V时），典型失调电压为5µV（25℃时）。该系列产品非常适合便携式和电池供电应用、信号调理电路以及医疗仪器。
图 4 显示了 TSZ121 在电池供电设备的电流测量电路中的应用。.
图 4：使用 ST TSZ121 精密运算放大器测量便携式设备电流的示例：选择具有低输入失调电压电平的运算放大器非常重要（来源：ST）。.
一个 8 mΩ 的精密分流电阻与电池负载串联。100 mA 的电流流过该电阻，产生 800 µV 的电压，该电压通过两个 10 Ω 的电阻施加到差分输入端。运算放大器的增益为 1000，因此输出电压应为 0.8 V。然而，在实际应用中，由于输入失调电压为 5 µV，测得的实际输出电压为 0.805 V。这个例子说明了输入失调电压在测量中的重要性。例如，如果我们选择输入失调电压为 200 µV 的运算放大器，测量误差将会大得多。.
一款低侧原型开发板 STEVAL-ISQ014V1， 并包含一个 30 mΩ 的并联电阻。此外，为了帮助工程师开发和仿真运算放大器电路，ST 的 eDesignSuite 提供了一种实用快捷的方法来选择设计方案并创建原型（参见图 5）。
图 5：ST 的 eDesignSuite 中采用 AO TSZ121 的当前测量设计（来源：ST）。.
运算放大器也常用于有源滤波器电路中。图 6 显示了使用模拟设计滤波器向导设计的音频带通滤波器。.
图 6：使用模拟设计滤波器向导设计带通滤波器（来源：Analog Devices）。.
滤波器参数为中心频率 800 Hz，3 dB 时通带宽度 300 Hz。我们可以快速调整滤波器参数以获得所需的通带宽度。下一步是选择元件（参见图 7）。我们可以接受向导的建议，也可以从 Analog Devices AO 产品目录中手动选择所需的元件。.
图 7：带通滤波器电路原理图，第一级选用低功耗 ADA4062 运算放大器（来源：Analog Devices）。.
Analog Devices ADA4062 的 典型开关速率为 3.3 V/µs，输入偏置电流低 (50 pA)，输入失调电压为 500 µV。它可以在 ±5 至 ±15 V 的电源轨上工作，典型功耗为 165 µA。
为什么不在下一个设计中加入AO元素呢？
运算放大器在电池供电应用中扮演着重要角色。由于其超低电流特性，它们可以持续测量或调节信号，而不会显著影响电池寿命。它们是灵活的器件，可以集成到任何设计中。.
作者：Mark Patrick， 贸泽电子
