电路笔记 :opa 运算放大器 OP07D,LM358

原创 已于 2024-03-30 00:54:26 修改 · 5.3k 阅读 · 41 ·
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于 2024-01-29 12:30:00 首次发布

运算放大器

  • 运算放大器是一个模拟电子模块,最初被应用于模拟计算机中，实现数字运算,所以才被称为运算放大器，简称运放

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  • 它有两个输入引脚，标示着“+”的是同相输入端，标示着“-”的是反相输入端,在图形的另一边是输出端,除了输入输出引脚之外，运算放大器有两个电源引脚,VDD为正电源，VSS为负电源,以前的大部分运算放大器，都会接正、负两个电源,当然，现在也有不少的运放集成电路允许使用单电源,在使用单电源的时候，负电源引脚VSS往往就直接连接在地上
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  • 运算放大器最基本的工作特性,就是将两个输入引脚之间的差值，乘以放大电路的增益，在输出引脚上实现放大和输出

  • 当同相输入大于反相输入时，输出为正,当同相输入小于反相输入时，输出为负,运算放大器本身的增益，一般都比较高,可以达到几十万倍，甚至数百万倍,这里所谓的放大器本身的增益，也被称为开环增益,也就是指运放在没有任何外部反馈电路的情况下，理论上可以达到的增益

  • 运放的另一个工作特性：运放的输出电压受限于其供电电源:如果说运放的供电电源是+/-15V,那么其输出波形的电压也只能在-15V到+15V这个范围内变化(在现实的运放中，由于运放内部结构的原因，输出波形的电压往往还不能完全达到供电电源的电压值)

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  • 在对运算放大器的工作进行分析时，我们往往会遵循两条黄金规则

  • 第一，输出总是为了使输入之间的电压差为零(但是，这并不意味着运放可以实际改变输入电压,而是输出端通过反馈网络，试图使两个输入端之间的电压差为零,我们在做运放工作分析的时候,可以认为两个输入端的电压是相等的)

  • 第二条黄金规则：运放的输入端没有电流流入(当然，在实际的运放中，会有一个nA级别的输入电流,只是在我们的分析中，我们往往可以忽略这个微小的电流)

OP07D

  • 在这个运放中，只有一个放大器单元,8个引脚，实际被用到的只有5个引脚,两个输入引脚，一个输出引脚，和两个电源引脚,这是一个非常典型的运算放大器引脚配置

  • 这颗芯片，有两个不同的封装，一个是贴片的SOIC封装，另一个是插件的DIP封装

  • 它的电压输入范围，是从+/-4V到+/-18V,电路的例子中，使用的供电电压是+/-15V在这里插入图片描述

反相放大器电路分析

我们要来分析的第一个电路，就是反相放大器,这是一个最简单的反相放大器的电路图

  • 同相输入引脚接地，输入信号通过一个串联电阻R1，来到反相输入引脚

  • 输出信号，通过另一个电阻R2，返回到反相输入引脚

  • 这个电路之所以被称为反相放大器,你可以理解为：因为输入信号是从放大器的反相输入引脚输入的,也可以理解为，其输出信号和输入信号的极性是相反的
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  • 第一，输出总是为了使输入之间的电压差值为零,在这个电路分析中，我们可以把反相输入引脚定义为A点,把同相输入引脚定义为B点.

  • 既然输入之间的电压差值为零，我们就认为A点的电压等于B点的电压,而B点在电路中是接地的，我们就认为A点的电压等于地的电压，也就是0V

  • 但是，这里我们需要理解的一点是,A点并不是真正意义上的接地,没有电流可以通过A点流回到地,只是在分析的过程中，我们认为A点的电压和地相同，是0V,在有些文献资料中，A点也被称为“虚拟地”

  • 根据第二条黄金规则，运放的输入端没有电流流入,在这个电路中，反相输入端没有电流流入,那么输入信号的电流，通过电阻R1之后，会流到那里去呢？

  • 它不会凭空消失，所以它只能通过R2流到输出端,根据基尔霍夫电流定律，我们知道电流IR1和IR2在数值上是相等的,刚才已经说过，A点的电压是0V

  • 根据电流IR1的走向，我们知道输入信号是一个正电压,当然输入信号也可以是一个负电压，在那个时候，电流的方向就会颠倒(这里只是以正电压的输入信号为例进行分析)

  • 同样，根据电流IR2的走向，我们知道输出信号是一个比0V还要低的电压,换句话说，当输入信号是正电压时，输出电压就是负电压

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  • 那么，输出电压和输入电压之间的关系具体又是怎样的呢？

  • 我们已经知道，IR1等于IR2,

  • 因为A点的电压是0V，

  • 所以 I R 1 = 输入信号的电压 R 1 I_{R1}=\frac{输入信号的电压}{R1} IR1​=R1输入信号的电压​, I R 2 = − 1 ∗ 输出电压 R 2 I_{R2}=-1*\frac{输出电压}{R2} IR2​=−1∗R2输出电压​

⇒ 输出电压 输入电压 = − R 2 R 1 \Rightarrow \frac{输出电压}{输入电压} = - \frac{R2}{R1} ⇒输入电压输出电压​=−R1R2​

LTSPICE软件模拟

  • 运放电路的供电电压是+/-15V,输入信号是一个幅值为+/-1V，频率为1kHz的正弦波

  • 电阻R1和R2的取值，将放大电路的增益设置在了10倍
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  • 对这个电路进行一下模拟，分别选取输入和输出波形进行观察和比较,在这个图中，绿色的波形是输入信号，红色的波形是输出信号

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同相放大器电路分析

  • 电路中，输入信号直接进入运放的同相输入端,输出信号通过一个对地的电阻分压电路，反馈到运放的反相输入端

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  • 在分析中，我们可以理解为：两个输入引脚的电压相等

  • 在这个电路中，同相输入端直接连接到了输入信号,那么，A点的电压等于输入信号的电压

  • 黄金规则的第二条告诉我们，运放的输入端没有电流流入,

  • 所以，输出信号在分压电阻构成的反馈网络中的电流,将像图中所示的一样，通过R2和R1，流回到地

  • A点的电压，就是输出信号的电压经过两个分压电阻R1和R2分压后得到的电压

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LTSPICE软件模拟

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双运算放大器LM358

  1. 双运算放大器： LM358是一款双运算放大器，意味着它内部有两个独立的运算放大器，通常被标记为A1和A2。

  2. 低功耗： LM358是低功耗运算放大器，适用于需要长时间运行的电池供电应用。

  3. 宽电源电压范围： LM358支持宽电源电压范围，典型的工作电源电压为单电源3V至32V，双电源±1.5V至±16V。

  4. 单电源或双电源操作： 可以在单电源或双电源模式下操作，这增加了其在不同电源配置下的应用灵活性。

  5. 低输入偏移电流和低输入偏移电压： LM358具有相对较低的输入偏移电流和输入偏移电压，适用于需要高精度的应用。

  6. 开环增益高： 具有相对高的开环增益，但也可以通过外部电路配置以降低增益。

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CG

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TI的低噪声，高带宽增益运算放大器，OPA687芯片手册。
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Thanks to the original and the translator, thank you for your contribution!
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OP07可以单电源供电吗
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<think>好的，用户现在想知道OP07运放是否支持单电源供电，以及相关的工作条件。之前已经讨论过OP07和LM358的替代性，其中提到OP07需要双电源，而LM358支持单电源。用户现在可能在实际应用中遇到电源设计的挑战，想确认OP07的具体供电要求。 首先，我需要回顾之前的回答，确保信息一致。在之前的分析中，OP07的电源电压范围是±3V到±18V，这说明它通常需要双电源供电。而LM358可以在单电源下工作，比如3V到32V。用户现在引用了关于单电源运放影响的资料，特别是引用[1]提到单电源工作时，运放需要处理轨到轨输出的问题，无法输出负电压，这可能会影响OP07的使用。 接下来，根据用户提供的引用，特别是引用[2]和引用[3]，单电源运放通常需要虚地（VCC/2）来提供偏置电压，确保信号在共模范围内。这可能适用于OP07吗？需要查看OP07的数据手册，确认其共模输入范围和输出摆幅是否允许单电源配置。 查阅OP07的数据手册，发现其输入共模电压范围通常需要高于负电源轨至少2V，输出摆幅也无法接近负电源轨。因此，在单电源供电时，若负电源端接地，输入信号必须高于某个最小值，否则会导致输出失真。这可能需要外部电路，如引用[2]提到的虚地电路，来抬升信号电平，使其处于共模范围内。 用户可能的应用场景是希望在单电源系统中使用OP07，比如5V单电源，但需要处理交流信号。这时候，设计虚地电路（如分压电阻加缓冲器）是必要的。同时，需要注意输入偏置电流对耦合电容的影响，如引用[3]所述，避免电容充电导致的问题。 还需要考虑OP07的静态功耗和是否适合低电压应用。OP07的静态电流较高（2.5mA），在单电源低压下可能不如低功耗运放（如LMV358）合适。如果用户坚持使用OP07，可能需要额外的电源管理，比如电荷泵生成负电压，但这会增加复杂度。 总结，OP07在单电源下工作需满足：电源电压足够高（至少6V单电源，等效于±3V双电源），使用虚地偏置，输入信号在共模范围内，输出摆幅受限。同时，需权衡设计复杂度和性能需求，可能建议选用更适合单电源的运放，如用户之前提到的OPA2188或其他低电压运放。</think>#### OP07单电源供电工作条件分析 ##### 1. **基础供电特性** - **官方参数**：OP07标称电源范围为$\pm3V \sim \pm18V$（双电源），**不支持直接单电源供电**[^1]。 - **本质限制**：其输入共模电压范围为$V_{-}+2V \sim V_{+}-2V$（以双电源为例：$\pm15V$系统输入范围$-13V \sim +13V$）[^5]，若直接接地（单电源模式），输入信号需**严格高于$2V$**，否则引发输出截断（见图1）。 ##### 2. **单电源改造方案** 通过**虚地（Virtual Ground）**设计可间接实现单电源工作，但需满足以下条件： 1. **电源电压要求** - 单电源电压需≥$6V$（等效于$\pm3V$双电源），例如$V_{CC}=6V$时，虚地设为$3V$（见图2）。 - 典型应用推荐$V_{CC}≥9V$（$\pm4.5V$等效）以保留足够输入/输出摆幅[^2]。 2. **输入信号偏置** - 交流信号需通过电容耦合**抬升至虚地电平**，例如： $$ V_{in\_biased} = V_{virtual\_ground} + V_{AC} $$ 避免输入信号进入负压区（OP07无法处理负输入电压）[^3]。 3. **输出摆幅限制** - 单电源下输出最低电压≈虚地电压$-1.5V$（受输出级饱和影响），例如$V_{virtual\_ground}=5V$时，输出范围为$3.5V \sim V_{CC}-1.5V$[^5]。 ##### 3. **典型单电源电路设计** ```text +12V | +----[R1 10k]----+-----> Vvirtual_ground (6V) | | | [C1 100uF] | | +----[R2 10k]----+ | GND OP07配置： - V+ = +12V - V- = GND - 输入信号通过10μF电容耦合至同相端（偏置到6V） - 反相端配置反馈网络 ``` > **注意**：R1/R2需匹配以降低失调，并建议增加缓冲器（如电压跟随器）提升虚地驱动能力[^2]。 ##### 4. **性能影响** - **精度下降**：输入失调电压随共模电压升高可能增至$100\mu V$（原$30\mu V$）[^5]。 - **动态范围缩减**：例如$12V$单电源系统有效输出范围仅约$4.5V \sim 10.5V$（损失45%电压利用率）。 - **稳定性风险**：虚地阻抗过高可能导致振荡，需并联低ESR电容（如引用[3]中推荐$10\mu F+0.1\mu F$组合）。 ##### 5. **替代建议** 若需单电源供电且要求高精度，优先选择**轨到轨（RRIO）运放**： - **ADA4528**：输入失调电压$2.5\mu V$，支持$4.5V \sim 36V$单电源 - **OPA2188**：零漂移架构，单/双电源兼容 #### 总结 OP07在**单电源模式下需严格设计虚地电路**，且性能显著受限，仅适用于低频、小信号场景。**非必要情况下建议选择原生支持单电源的高精度运放**。 --- #### 相关问题 1. 虚地电路设计中如何避免信号失真？ 2. 轨到轨运放与普通运放在单电源应用中有何差异？ 3. OP07在高温环境下单电源工作的稳定性如何保障？
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