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2.1 常用电子元器件及选型

2.1.1 电阻

电阻器简称电阻,是一种常用的无源电子元件,也是构成电路不可或缺的基本元件之一。在电子电路中,电阻主要用于控制和调节电路中的电流和电压,用作负载电阻和阻抗匹配等。

1.电阻的分类

实际电阻种类繁多,分类如下。

按结构性能可分为:固定电阻、可变电阻和敏感电阻,固定电阻一般称为“电阻”,可变电阻常称作“电位器”,其符号表示如图2.1.1所示。

图2.1.1 电阻的符号表示

按材料可分为:碳膜电阻、金属膜电阻和线绕电阻等。

按功率规格可分为:1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W等。

按误差范围可分为:精度为±5%、±10%、±20%等普通电阻,精度为±0.1%、±0.2%、±0.5%、±1%、±2%等精密电阻。

2.电阻的标称阻值

标称阻值是指电阻表面所标注的阻值,它是根据国家制定的系列标准进行标注的。电阻的常用单位为欧姆(Ω)、千欧(kΩ)和兆欧(MΩ)。

不同类型的电阻其阻值系列是不同的。根据部标,常用的电阻标称值见表2.1.1,电阻值的标称值应为表中数字的10 n ,其中 n 为正整数、负整数或零,现在最常见的为E24系列,其精度为±5%。

表2.1.1 电阻、电容标称值系列

(续)

3.电阻的允许偏差

实际生产中,由于工艺等多方面限制,电阻的实际阻值与标称阻值之间存在一定的偏差。允许偏差是指电阻的实际阻值对于标称值的最大允许偏差范围,用来表示电阻的精度。普通电阻的允许偏差有1%、2%、5%,也有允许偏差较小的0.05%、0.01%、0.1%、0.5%的精密电阻。例如:一个100Ω的电阻,若允许偏差为5%,其实际电阻值在95~105Ω之间。

4.电阻的额定功率

电流流过电阻时会使电阻产生热量,在规定温度下,电阻在电路中长期连续工作所允许消耗的最大功率称为额定功率,单位为瓦特(W)。电阻的额定功率也是按照国家标准进行标注的,标称值有1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W等。通常,额定功率与电阻的体积直接相关,体积越大,额定功率越高。

5.电阻的标识方法

电阻的标称阻值和允许偏差一般都标注在电阻体上,常见的标注方法有以下几种。

1)直标法:直接把电阻阻值和允许偏差用数字或字母印在电阻上,如75kΩ±10%,100ΩⅠ(Ⅰ为允许偏差±5%),有的没有印允许偏差等级,则一律表示允许偏差为±20%。

2)色标法:将不同颜色的色环涂在电阻体上来表示电阻的标称值及允许偏差。色环电阻上各种颜色代表的阻值和允许偏差见表2.1.2。

表2.1.2 色标法中颜色符号意义

色标法通常有四色环法和五色环法。四色环法一般用于普通电阻标注,五色环法一般用于精密电阻标注。色环标志读数识别规则如图2.1.2所示。

6.电阻的选用

(1)根据电路特点选用电阻的类型

电路设计中,应根据电路对电阻工作频率、应用特点等要求,确定电阻的种类。高频电路中,分布参数越小越好,应选用金属膜电阻、金属氧化膜电阻等高频电阻。低频电路中,由于电阻的分布参数对电路工作影响不大,可选用线绕电阻、碳膜电阻。滤波电路、退耦电路对阻值变化没有严格要求,任何类型电阻都适用。

(2)根据电阻的阻值和允许偏差选用

电阻阻值选用与电路中设计电阻阻值相接近的一个标称值,优先选用标准系列的电阻。精度满足要求即可,一般电路使用的电阻允许偏差为±5%~±10%。如果标称值系列中找不到实际需要的阻值,可采用串、并联的方法加以解决。精密仪器或特殊电路中使用的电阻,可采用精密电阻。

图2.1.2 色环标志读数识别规则

(3)根据电阻的极限参数选用

当电阻上所加电功率超过额定值时,电阻就可能被烧毁。因此,选取电阻时,要符合电路对电阻功率容量的要求,一般应使其额定功率高于电路实际需求的1.5~2倍。

2.1.2 电容

电容器简称电容,是由两个相互靠近的金属导体的中间夹一层不导电的绝缘介质组成,是电子电路中的主要元件之一,其主要作用为隔绝直流、耦合交流、旁路交流等。电容是一种储能元件,利用电容的充放电特性可以构成定时电路、锯齿波产生电路、微积分电路、滤波电路、取样保持电路等。

1.电容的分类

电容按不同的分类方法,分类如下。

按介质材料可分为:无机介质电容(瓷介电容、云母电容等)、有机介质电容(涤纶电容、聚丙烯电容等)、电解电容、气体介质电容、液体介质电容等。

按结构可分为:固定电容、可变电容和微调电容,其符号表示如图2.1.3所示,其中图a中有“+”的为电解电容,它有极性。由于结构和材料的不同,电容外形也有较大的区别。

按用途可分为:旁路电容、滤波电容、调谐电容、耦合电容、小型电容等。

图2.1.3 电容的符号表示

2.电容的标称容量和允许偏差

标称容量是指电容表面上标注的电容量。我国固定电容标称容量系列为E24、E12和E6,见表2.1.1。不同材料制造的电容其标称容量系列也不一样,高频瓷质电容和涤纶电容的标称容量系列采用E24系列,而电解电容标称容量系列采用E6系列。电容的常用单位为法拉(F)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)。

电容的允许偏差一般分为三级:即Ⅰ级,±5%;Ⅱ级,±10%;Ⅲ级,±20%。电解电容的允许偏差范围较宽,可达-20%~+50%。

3.电容的额定工作电压

电容额定工作电压是表示电容接入电路后,能够长期可靠地工作,不被击穿所能承受的最大直流电压,又称耐压。电容在使用时一般不能超过其耐压值,否则就会造成电容损坏,严重时还会造成电容爆炸。电容耐压值一般都直接标注在电容表面,常用电容的耐压系列为6.3V、10V、16V、25V、40V、63V、100V、250V、400V等。

4.电容的标识方法

电容的容量一般都标在电容表面上,有的还标出允许偏差和耐压。常见的标识法有如下几种。

(1)直标法

将标称容量及允许偏差直接标注在电容体上。用直标法标注的容量,有时电容上不标单位,其识读方法为:凡容量大于1的无极性电容,其容量单位为pF;凡容量小于1的电容,其容量单位为μF;凡有极性电容,其容量单位为μF。

示例:2u2表示容量为2.2μF;4n7表示容量为4.7nF或4700pF;

0.01表示容量为0.01μF;3300表示容量为3300pF。

(2)数标法

用三位数字表示电容容量大小,前两位为电容标称容量的有效数字,第三位数字表示有效数字后面零的个数,单位为pF;但第三位数字是“9”时,有效数字应乘上10 -1

示例:103表示容量为10000pF=0.01μF;221表示容量为220pF;

339表示容量为33×10 -1 pF=3.3pF。

(3)色标法

电容色标法与电阻色标法相同,标志颜色意义也与电阻基本相同,可参见表2.1.2,单位为pF。

5.电容的选用

(1)根据电路要求选用电容的类型

根据电容的介质不同,性能差异较大,用途也不尽相同。设计电路时,需要合理选取电容的类型。对于低频电路和直流电路,一般可选用纸介电容、瓷介电容。在高频电路中,当电气性能要求较高时,可选用云母电容、高频瓷介电容。在电源滤波、去耦电路中,一般可选用铝电解电容。对于要求可靠性高、稳定性高的电路,应选用云母电容、漆膜电容或钽电解电容。对于调谐电路,应选用可变电容、微调电容。

(2)根据电容的容量和允许偏差选用

对于电容量要求不太严格的电路,如低频耦合电路,可选取比计算值稍大一些的电容。对于电容量要求较为严格的电路,如定时电路、振荡回路及音调控制等电路,需要选取电容量的标称值应尽量与计算的电容值相一致或尽量接近,其允许偏差应尽可能小(一般小于5%)。在一些特殊的电路中,若对电容的电容量要求非常精确,此时需要选用高精度电容,允许偏差在±0.1%~±0.5%范围内。

(3)根据电容的额定电压选用

若电容所在电路中的工作电压高于电容的额定电压,往往电容极易发生击穿现象,使整个电路无法正常工作。一般情况下,选用电容的额定电压应是实际工作电压的1~2倍。对于工作环境温度较高或稳定性较差的电路,选用电容的额定电压应考虑降额使用,留有更大的余量。

(4)根据现场安装要求选用

电容的外形有很多种,选用时应根据实际情况来选择电容的形状及引脚尺寸。

2.1.3 电感

电感器简称电感,一般由线圈构成,故又称为电感线圈。电感也是一种储能元件,在电路中有阻交流、通直流的作用,可以在交流电路中起阻流、降压、负载等作用,与电容配合可用于调谐、振荡、耦合、滤波和分频等电路中。为了增加电感量、提高品质因数 Q 、减小体积,线圈中常放置软磁材料制作的磁心。

1.电感的分类

根据电感的结构可分为:普通电感和带磁心电感。

根据电感的电感量是否可调,电感可分为:固定电感、可变电感,其符号表示如图2.1.4所示。可变电感的电感量可利用磁心在线圈内移动而在较大的范围内调整。

根据工作频率可分为:高频电感、中频电感和低频电感。

图2.1.4 电感的符号表示

2.电感的标称电感量和允许偏差

电感量是表述载流线圈中磁通量大小与电流关系的物理量,其大小与线圈圈数、线圈线径、绕制方法以及磁心介质材料有关。电感量的常用单位为亨利(H)、毫亨(mH)、微亨(μH)。

固定电感的标称电感量可用直标法表示,也可用色标法表示。色环电感电感量的大小一般用四色环标注法标注,与电阻色标法和识读方法相似,参见表2.1.2,其单位为μH。电感标称值系列一般按E12系列标注,参见表2.1.1。

一般固定电感允许偏差为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级,分别表示允许偏差为±5%、±10%、±20%。精度要求较高的振荡线圈,其允许偏差为±0.2%~±0.5%。

3.电感器的品质因数 Q

品质因数是电感的重要参数,通常称为 Q 值。 Q 值的大小与绕制线圈所用导线线径粗细、绕法、股数以及线圈的匝数等因素有关。 Q 值反映电感传输能量的本领, Q 值越大,传输能量的本领越大,即损耗越小,质量越高,一般要求 Q =50~300。

4.电感的额定电流

额定电流是电感线圈中允许通过的最大电流,额定电流大小与绕制线圈的线径粗细有关。国产色码电感通常用在电感上印刷字母的方法来表示最大直流工作电流,字母A、B、C、D、E分别表示最大工作电流为50mA、150mA、300mA、700mA、1600mA。

5.电感的选用

(1)按照工作频率的要求选择合适结构的线圈

对于音频电路,一般选用带铁心(硅钢或坡莫合金)或低铁氧体心的线圈;对于几百千赫到几兆赫间的电路,线圈最好选用铁氧体心,并以多股绝缘线绕制;在高频电路中宜采用涂银导线制成空心线圈以解决高频电流的“趋肤效应”。

(2)根据电感的电感量和允许偏差选用

电感量应与电路要求相同,尤其是调谐回路的线圈电感量数值要精确,应选用允许偏差为±0.2%~±0.5%的电感。当电感量过大或过小时,可减少或增加线圈匝数以达到要求。当电感量相差较大时,可采用串、并联的方法进行解决。若两个电感线圈电感量相同时,可根据 Q 值的定义选择尺寸小者,或选择值相同而线径大者使用。

(3)根据电感的额定电流选用

实际电路中,电感外加电压和通过的电流不能超过其额定值,必要时需要充分考虑电流减额。

2.1.4 二极管

晶体二极管又称为半导体二极管,简称二极管,是常用的半导体分立器件之一,内部构成本质上为一个PN结,P端引出电极为正极,N端引出电极为负极。主要特性为单向导电性,广泛应用于整流、稳压、检波、变容、显示等电子电路中。

普通二极管一般有玻璃和塑料两种封装形式,其外壳上均印有型号和标记,识别很简单:小功率二极管的负极(N极),在二极管外表大多采用一道色环标识出来,也有的采用符号标志“P”“N”来确定二极管的极性。发光二极管的正、负极可从引脚长短来识别,长脚为正,短脚为负。

1.二极管的分类

二极管应用广泛,种类繁多,分类如下。

按材料分为:锗二极管和硅二极管。

按结构分为:电接触型二极管和面接触型二极管。

按封装分为:玻璃外壳二极管、金属外壳二极管、塑料外壳二极管和环氧树脂外壳二极管。

按用途分为:普通二极管、整流二极管、高压整流二极管、硅堆、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、光电二极管、磁敏二极管、变容二极管、隧道二极管等。

2.二极管的主要技术参数

不同类型二极管所对应的主要特性参数有所不同,具有一定普遍意义的特性参数有以下几个:

(1)额定正向工作电流

额定正向工作电流是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过二极管时会使管芯发热,温度上升,温度超过容许限度(硅管为140℃左右,锗管为90℃左右)时,就会使管芯发热而损坏。所以,二极管使用时不要超过额定正向工作电流。例如:常用的1N4001~1N4007型锗整流二极管的额定正向工作电流为1A。

(2)最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,使其失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。例如:1N4001二极管反向耐压为50V,1N4007二极管反向耐压为1000V。

(3)反向电流

反向电流指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下,流过二极管的反向电流。反向电流越小,则二极管的单向导电性能越好。值得注意的是,反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高10℃,反向电流将增大一倍。硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

3.常用二极管及选用

常用二极管所对应的电路图形符号如图2.1.5所示。

(1)整流二极管

整流二极管的作用是利用二极管单向导电特性,将交流电整流成直流电。整流二极管正向工作电流较大,工艺上大多用面接触结构,其结电容较大,因此,整流二极管工作频率一般小于3kHz。

图2.1.5 常用二极管电路图形符号

整流二极管主要有全封闭金属封装和塑料封装两种封装形式。通常额定正向工作电流在1A以上的整流二极管采用金属封装,以利于散热;额定正向工作电流在1A以下的采用全塑料封装,另外,由于工艺技术的不断提高,也有不少较大功率的整流二极管采用塑料封装,在使用中应予以区别。

整流电路通常为桥式整流电路,即将四个整流管封装在一起的器件,称为整流桥或称整流全桥(简称全桥),如图2.1.6所示。

图2.1.6 桥式整流电路及简化图

选用整流二极管时,主要应考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管,对截止频率和反向恢复时间要求不高(可用1N系列、2CZ系列、RLR系列的整流二极管)。开关稳压电源的整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管,应选用工作频率高、反向恢复时间较短的整流二极管(例如:RU系列、EU系列、V系列、1SR系列或快速恢复二极管)。

(2)检波二极管

检波二极管是利用PN结伏安特性的非线性把叠加在高频信号上的低频信号分离出来的一种二极管。检波二极管要求正向压降小、检波效率高、结电容小、频率特性好,其外形一般采用EA玻璃封装结构。一般检波二极管采用锗材料点接触型结构。

选用检波二极管时,应根据电路的具体要求选择工作频率高、反向电流小、正向电流足够大的检波二极管。

(3)稳压二极管

稳压二极管又称齐纳二极管,有玻璃封装、塑料封装和金属外壳封装三种。稳压二极管是利用PN结反向击穿时电压基本上不随电流变化的特点来达到稳压的目的。稳压二极管正常工作时工作于反向击穿状态,外电路要加合适的限流电阻,以防止烧毁管子。

稳压二极管是根据击穿电压来分档的,其稳压值就是击穿电压值。稳压二极管主要作为稳压器或电压基准元件使用,稳压管可以串联使用,其稳压值为各稳压管稳压值之和。稳压管不能并联使用,原因是每个管子的稳压值有差异,并联后通过每个管子的电流不同,个别管子会因过载而损坏。

选用稳压二极管时应满足应用电路中主要参数的要求。稳压二极管的稳压值应与应用电路的基准电压值相同,稳压二极管的最大稳定电流应高于应用电路的最大负载电流50%左右。

(4)变容二极管

变容二极管是利用反向偏压来改变二极管PN结电容量的特殊半导体器件。变容二极管相当于一个电压控制的容量可变的电容,它的两个电极之间的PN结电容大小,随加到变容二极管两端反向电压大小的改变而变化。变容二极管主要应用于电调谐、自动频率控制、稳频等电路中,作为一个可以通过电压控制的自动微调电容,起到改变电路频率特性的作用。

选用变容二极管时应考虑其工作频率、最高反向工作电压、最大正向电流和零偏压结电容等参数是否符合应用电路的要求,应选用结电容变化大、高 Q 值、反向漏电流小的变容二极管。

(5)光电二极管

光电二极管在光照射下其反向电流与光照度成正比,它常应用于光电转换及光控、测光等自动控制电路中。

(6)发光二极管

发光二极管(英文简称LED)能把电能直接快速地转换成光能,属于主动发光器件。常用作显示、状态信息指示等。

发光二极管的发光颜色主要由制作材料以及掺入杂质种类决定,目前常见的发光二极管发光颜色主要有蓝色、绿色、黄色、橙色、红色、白色等。其中白色发光二极管主要应用于手机背光灯、液晶显示器背光灯、照明等领域。

发光二极管的工作电流通常为2~25mA,其工作电流不能超过额定值太多,否则有烧毁的危险,故通常需在发光二极管回路中串联一个电阻,作为限流电阻 R 。限流电阻的阻值可由公式算出: R =( U-U F ) /I F ,式中 U 是电源电压, U F 是工作电压, I F 是工作电流。

工作电压(即正向压降)随着材料的不同而不同,普通绿色、黄色、红色、橙色发光二极管的工作电压约2V,白色发光二极管的工作电压通常高于2.4V,蓝色发光二极管的工作电压通常高于3.3V。

红外发光二极管是一种特殊的发光二极管,其外形和发光二极管相似,只是它发出的是红外光,在正常情况下人眼是看不见的。其工作电压约为1.4V,工作电流一般小于20mA。

有些公司将两个不同颜色的发光二极管封装在一起,使之成为双色二极管(又名变色发光二极管),这种发光二极管通常有三个引脚,其中一个是公共脚,它可以发出三种颜色的光(其中一种是两种颜色的混合色),故通常作为不同工作状态的指示器件。

选用发光二极管时,需要考虑设计电路中二极管的尺寸、亮度、颜色等实际要求。例如,报警指示电路中通常选用红色,正常指示电路中则通常选用绿色。在使用时需串接适当阻值的限流电阻。

4.使用二极管注意事项

1)二极管在电路中应按注明的极性进行连接。

2)根据需要正确选择型号。同一型号的整流二极管可串联、并联使用。在串联、并联使用时,应视实际情况决定是否需要加入均衡(串联均压,并联均流)装置(或电阻)。

3)引出线的焊接或弯曲处,离管壳距离不得小于10mm。为防止因焊接时过热而损坏,要使用小于60W的电烙铁,焊接时间要快(2~3s)。

4)应避免靠近发热元件,并保证散热良好。工作在高频或脉冲电路的二极管,引线要尽量短。

5)对整流二极管,为保证其可靠工作,反向电压常降低20%使用。

6)稳压管接在电路中,应工作于反向击穿状态,即工作于稳压区。

7)切勿超过手册中规定的最大允许电流和电压值。

8)二极管的替换。硅管和锗管不能互相代用。二极管代换时,替换的二极管其最高反向工作电压和最大整流电流不应小于被替换管。根据工作特点,还应考虑其他特性,如截止频率、结电容、开关速度等。

2.1.5 晶体管

晶体管是电子电路中广泛应用的有源器件之一,在模拟电子电路中主要起放大作用,晶体管还能在开关、控制、振荡等电路中发挥作用。

1.晶体管的分类

晶体管应用种类繁多,分类如下:

按材质可分为:硅管材质的晶体管和锗管材质的晶体管。

按结构可分为:NPN型晶体管和PNP型晶体管。

按功能可分为:开关管、功率管、达林顿管、光电管等。

按照功率可分为:小功率管、中功率管、大功率管。

按照工作频率可分为:低频管、高频管、超频管。

NPN型和PNP型晶体管图形符号和小功率管引脚排列如图2.1.7所示。晶体管引脚排列因型号、封装形式与功能等的不同而有所区别,小功率晶体管的封装形式有金属封装和塑料封装两种,大功率晶体管的外形一般分为“F”型和“G”型两种。

图2.1.7 晶体管图形符号和小功率管引脚排列

2.晶体管常用参数

晶体管的参数很多,其主要参数及意义见表2.1.3。

表2.1.3 晶体管常用参数及其意义

3.晶体管的选用及注意事项

(1)按照电路实际需要选择晶体管类型

一般低频小功率晶体管工作在小信号状态,主要用于各种电子设备的低频放大,输出功率小于1W的功率放大器;高频大功率晶体管主要应用于频率大于3MHz、功率大于1W的电路中,既可作功率驱动、放大,也可用于低频功率放大或开关稳压电路。

可根据电路要求选择晶体管的材料与管型。加到管子上的电压极性应正确:PNP型管的发射极对其他两电极是正电位,而NPN型管则应是负电位。

(2)考虑晶体管的极限参数

选用的晶体管,切勿使工作时的电压、电流、功率超过手册中规定的极限值,并根据设计原则选取一定的余量,以免烧坏管子。

(3)晶体管的代换

只要管子的基本参数相同就能代换,性能高的可代换性能低的。对低频小功率管,任何型号的高、低频小功率管都可以代换它,但 f T 不能太高。只要 f T 符合要求,一般就可以代换高频小功率管,但应选取内反馈小的管子, h FE >20即可。对于低频大功率管,一般只要 P CM I CM U CEO 符合要求即可,但应考虑 h FE U CES 的影响。对电路中有特殊要求的参数(如 N F 、开关参数)应满足。此外,通常锗管和硅管不能互换。

(4)安装时注意事项

管子放置应避免靠近发热元件,减小温度变化和保证管壳散热良好。功率放大管在耗散功率较大时应加散热片,管壳与散热片应紧贴固定。散热装置应垂直安装,以利于空气自然对流。

2.1.6 运算放大器

运算放大器(operational amplifier, OPA)简称运放,是一种具有高电压放大倍数、高输入电阻和低输出电阻的单元电路。现已采用集成块封装形式,又称为集成运放。结合反馈网络连接,运放可实现各种运算功能,包括信号的加、减、微分、积分等,除此之外,还可以实现电压放大、比较、波形产生等功能,在检测、控制、信号产生和处理等领域中获得了广泛的应用。

为方便分析运放的各种应用电路,往往将实际运放视为理想运放。所谓理想运放是将运放的各项技术指标理想化,即输入电阻 R i =∞,输出电阻 R o =0,增益 A od =∞等。运放具有两个输入端和一个输出端,其模型如图2.1.8所示,其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”,标有“-”号的输入端为“反相输入端”。当理想运放工作在线性区时,输出电压与输入电压呈现线性关系,即 u o = A od ( u P -u N )。运放具有“虚短”和“虚断”两个重要特性。“虚短”指的是同相输入端电压 u P 与反相输入端电压 u N 近似相等,形同两点短路,即 u d =0;“虚断”指的是同相输入端电流和反相输入端电流都等于零,如同两点断开一样,即 i + = i -= 0。当运放工作在非线性区时,输出电压不再随输入电压线性增长,而是达到饱和,此时电压输出 u o U sat ,不存在虚短线性,通常用作比较器用。

图2.1.8 理想运放模型及工作特性

1.运算放大器分类

目前市场上运放的种类和型号繁多。按制造工艺可分为双极型、CMOS型和BiFET型。双极型运放一般输入偏置电流及器件功耗较大;CMOS型运放输入阻抗高、功耗小;BiFET型运放采用双极型管与单极型管混合搭配的生产工艺,以场效应晶体管作输入级,使输入电阻高达10 12 Ω以上。按集成度可分为单运算、双运算、四运算等;按供电方式可将运放分为双电源供电和单电源供电;按照性能参数可分为通用型和专用型两大类。通用型运放的技术指标一般化,其价格便宜、产品量大面广,常应用于无特殊要求的场合。例uA741(单运放)、LM358(双运放)、LM324(四运放)、TL084(四运放)等。专用型运放是某一方面的技术性能指标特别突出,常用于特定需求的场合。按特性参数可分为精密运放、高速运放、低功耗运放、功率放大器、全差动放大器等。另外,还有一些特殊运放,例如仪表放大器、电流检测放大器、比较器、可变增益放大器等。表2.1.4给出了常用运放类型及其特点,用户可在TI公司官网上查询更多运放的详细信息。

表2.1.4 常用运放类型及其特点

2.运算放大器的参数

集成运放品种繁多,性能各异。在设计运放应用电路时,设计者经常面临运放选型的问题。因此,了解运放的主要性能及各种参数的意义,是正确选择运放的前提。运放的参数较多,主要分为直流参数和交流参数,见表2.1.5。

表2.1.5 运算放大器主要参数

运算放大器的直流参数主要有以下几个:

(1)输入失调电压(input offset voltage) V OS V IO

若将运放的两个输入端接地,理想运放输出为零,但实际运放输出不为零。此时,用输出电压除以增益得到的等效输入电压称为输入失调电压。其值为数mV,该值越小越好,较大时增益受到限制。输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电压越小。输入失调电压是运放的一个十分重要的指标,特别是精密运放或是用于直流放大时。

(2)输入失调电压温度漂移(input offset voltage drift) α VIO

该指标描述的是输入失调电压随温度变化的大小,一般为数μV/℃。一般运放的输入失调电压温漂在±(10~20)μV/℃之间,精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。例如:OPA335输入失调电压温漂仅为0.02μV/℃,使用时则不用考虑温度对失调电压的影响。

(3)输入偏置电流(input bias current) I IB

输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时,其两输入端的偏置电流平均值,即 。输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。输入偏置电流与制造工艺有一定关系,其中双极型工艺的输入偏置电流在±10nA~±1μA之间;采用场效应晶体管做输入级的,输入偏置电流一般低于1nA。

(4)输入失调电流(input offset current) I OS I IO

输入失调电流是指运放两输入端输入偏置电流之差的绝对值,即 I OS =| I B1 -I B2 |。 I OS 反映了运放内部的电路对称性,对称性越好,输入失调电流越小。输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响,特别是当运放外部采用较大的电阻(例如10kΩ或更大时),输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小,直流放大时中间零点偏移越小,越容易处理。所以对于精密运放是一个极为重要的指标。

(5)开环差模电压增益(open loop voltage gain) A OD

开环差模电压增益是指运放无外加反馈时,运放输出电压与差模输入电压的比值。即

通常运放的 A OD 数值较大,一般为10 4 ~10 7 ,单位常用分贝(dB)表示,其分贝数为20log| A OD |,即80~140dB。

(6)最大输出电压摆幅(maximum peak output voltage swing) V OM

最大输出电压摆幅定义为:当运放工作于线性区时,在指定的负载下,运放在当前大电源电压供电时,能够输出的最大电压幅度。除低压运放外,一般运放的输出峰峰值电压大于±10V。一般运放的 V OM 不能达到电源电压,这是由于输出级设计造成的,现在部分低压运放的输出级做了特殊处理,使得在10kΩ负载时,输出峰峰值电压接近电源电压的50mV以内,所以称为满幅输出运放,又称为轨到轨(raid-to-raid)运放。需要注意的是,运放的输出峰峰值电压与负载有关,负载不同,输出峰峰值电压也不同;运放的正负输出电压摆幅不一定相同。对于实际应用,输出峰峰值电压越接近电源电压越好,这样可以简化电源设计。但是现在的满幅输出运放只能工作在低压区,而且成本较高。

(7)共模输入电压范围(common mode input voltage range, CMVR) V ICR

共模输入电压范围表示运放两输入端与地间能加的共模电压的范围。最大共模输入电压限制了输入信号中的最大共模输入电压范围,在有干扰的情况下,需要在电路设计中注意这个问题。

(8)共模抑制比(common mode rejection ratio, CMRR) K CMR

共模抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放差模增益与共模增益的比值,即

共模抑制比是一个极为重要的指标,它能够抑制差模输入干扰信号。由于共模抑制比很大,大多数运放的共模抑制比一般在数万倍或更多,常用分贝(dB)表示,其数值为20log| K CMR |。一般运放的共模抑制比在80~120dB之间。

(9)电源电压抑制比(power supply rejection ratio, PSRR)

电源电压抑制比定义为当运放工作于线性区时,运放输入失调电压随电源电压的变化比值。即电源电压抑制比反映了电源变化对运放输出的影响。目前电源电压抑制比只能做到80dB左右。所以用作直流信号处理或是小信号处理模拟放大时,运放的电源需要作认真细致的处理。当然,共模抑制比高的运放能够补偿一部分电源电压抑制比,另外在使用双电源供电时,正负电源的电源电压抑制比可能不相同。

(10)电源电流(supply current) I CC

电源电流是指运放在没有负载情况下的静态吸收电流,它体现了运放的功耗。在运放中,通常以牺牲功耗为代价换取低的噪声和高的速度。在低功耗系统中,放大器的消耗电流是一种重要的指标。

运算放大器的交流参数主要有以下几个:

(1)开环带宽(bandwidth)BW

开环带宽指的是运放开环电压增益下降3dB(或直流增益的0.707倍)时所对应的信号频率。

(2)单位增益带宽(unity gain-bandwidth)GW

单位增益带宽是指运放的闭环增益为1倍的条件下,当输入正弦小信号时,输出端测得闭环电压增益下降3dB(或输入信号的0.707倍)所对应的信号频率。

(3)增益带宽乘积(gain bandwidth product)GBP或GBW

增益带宽乘积定义为电压反馈运放在某频率下测量的开环电压增益 A OD 与带宽 f H 的乘积,即GBW= A OD × f H 。这项参数可用于小信号处理中运放的选型。例如:某个运放的增益带宽为1MHz,若实际闭环增益为100,则理论处理小信号的最大频率为10kHz。

(4)转换速率(slew rate,也称压摆率)SR

运放转换速率是指闭环条件下,运放输入一个大信号(含阶跃信号),测得运放输出的上升速率。它反映了运放对快速变化信号的响应能力,SR越大,输出才能跟上频率高、幅度大的输入信号变化,否则可能输入正弦波,输出三角波。因此,转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标,对于一般运放转换速率SR≤10V/μs,高速运放的转换速率SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率SR可达到6000V/μs。这个指标用于大信号处理中运放选型。

(5)全功率带宽(full power bandwidth)BW P

全功率带宽定义为:在额定负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端,使运放输出幅度达到最大(允许一定失真)的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地,BW P =SR/2π V op V op 是运放的峰值输出幅度)。全功率带宽是一个很重要的指标,用于大信号处理中运放选型。

(6)建立时间(setting time) t s

建立时间定义为:在额定负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个阶跃大信号输入到运放的输入端,使运放输出由0增加到某一给定值所需要的时间。由于是阶跃大信号输入,输出信号达到给定值后会出现一定抖动,这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建立时间。对于不同的输出精度,稳定时间有较大差别,精度越高,稳定时间越长。建立时间是一个很重要的指标,用于大信号处理中运放选型。

(7)等效输入噪声电压(equivalent input noise voltage) V n

等效输入噪声电压定义为:屏蔽良好、无信号输入的运放,在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时,就称为运放输入噪声电压(有时也用噪声电流表示)。对于宽带噪声,普通运放的输入噪声电压有效值通常为10~20μV。

(8)差模输入阻抗(differential mode input impedance,也称为输入阻抗) Z id

差模输入阻抗定义为:运放工作在线性区时,两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输入阻抗包括输入电阻和输入电容,在低频时仅指输入电阻。一般产品也仅仅给出输入电阻。采用双极型晶体管作为输入级的运放的输入电阻不大于10MΩ;场效应晶体管作为输入级的运放的输入电阻一般大于10 9 Ω。输入电阻越大越好。

(9)共模输入阻抗(common mode input impedance) Z ic

共模输入阻抗定义为:运放工作在输入信号时(即运放两输入端输入同一个信号),共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下,它表现为共模电阻。通常,运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多,典型值在10 8 Ω以上。

(10)输出阻抗(output impedance) Z o

输出阻抗定义为:运放工作在线性区时,在运放的输出端加信号电压,这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。这个参数在开环下测试。

3.运算放大器的选用

(1)按照电路实际需要选择运放类型

对于低频以及信号变化缓慢的电路,选用通用型运放即可;对于较大音频、视频等交流信号,选用SR(转换速率)大的运放比较合适;对于处理微弱的直流信号的电路,选用精度比较高的运放比较合适(即失调电流、失调电压及温漂均比较小);对于便携式电路,必须使用低电源电压供电、低功耗的运放。

(2)根据设计指标选用运放参数

根据信号是电压源还是电流源,内阻大小,输入信号的幅值及频率的幅值、频率的变化范围等,选择运放的差模输入电阻 R id 、-3dB带宽(或单位增益带宽)、转换速率SR等指标参数。根据负载电阻的大小,确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值,确定供电电源。根据对模拟信号的处理的精度要求,电压比较的响应时间以及灵敏度要求,选择运放的开环差模增益 A od 、失调电压 U io 及转换速率SR等。根据环境温度的变化范围,可正确选择运放的失调电压和失调电流、运放的功耗等参数。 6rXdd+w+dMohwLMGkeB5uXUeRn8nRu23cWgkVujS/wAesn5aYCSHO/yJ5IR9WkcR

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