6 种独特的运算放大器电路
电子电路已从分立电路演化为单个芯片上的高度集成电路 (IC)，造就了能节省空间和成本的高度先进的模拟和数字系统。运算放大器 (Op Amp) 就是这样一种集成电路，在模拟设计中扮演了至关重要的角色。今天的运算放大器不仅仅是运算放大器，它还集成了多种功能，使模拟设计更加容易。但是，它们并不能解决所有问题。运算放大器和分立器件都各有其优点和缺点。
分立电路
放大器是大多数模拟电路的基本构件，它们可以提高各种信号的电压、功率或电流。晶体管是分立电路的重要组件。几个晶体管的组合，加上有源和无源组件（如电阻器和电容器），就可以用来构建模拟逻辑功能。这种模拟逻辑功能用于获得由数学功能组成的所需输出。 这些是针对音频放大器、逻辑电路、比较器、运算放大器和输入开关等设计应用而衍生的。电路管理大功率输入并提供大功率输出；电路参数通过更改组件及其值来实现。这有助于它们在温度波动期间保持稳定。
各种单个分立元件的组装和接线需要更多时间和更大空间。在已有电路中替换故障部件可能会非常复杂。由于采用焊接工艺连接元件，分立电阻会出现可靠性降低、增益精度降低、共模抑制 (CMR)、失调漂移和增益漂移。除了这些因素之外，电阻器还会受到高温系数和低精度的限制。所有这些都会导致严重的电路错误。为了解决与分立电路相关的此类问题，运算放大器应运而生，用以克服空间、可靠性和准确性限制
运算放大器（集成电路）
运算放大器就是作为电压放大器工作的直流耦合集成电路。运算放大器的差分输出指两种极性相反的输入和一个高增益单端输出。使用多个晶体管和无源器件构建的典型放大器功能现在已由单个 IC 取代，该 IC 通过端子特性和很少的外部连接元件来描述。根据各个引脚的连接不同，运算放大器用途广泛。构成的电路可以是比较器、差分放大器、峰值检波器、反相放大器、同相放大器和模数转换器。
集成电路运算放大器的尺寸较小。由于在单个芯片上构建了多个复杂电路，从而简化了设计，这一点变得可能。其性能也得到大幅提升，以更少的连接提供卓越的可靠性。该 IC 的功耗极小，并且由于没有电容效应而提高了运行速度。
运算放大器并不能解决所有应用问题。散热和尺寸的限制使任何 IC 运算放大器都不可能包括用于 A 类音频放大器的高质量音频晶体管。集成到运算放大器中的元件之间的近距离会造成音频信号干扰，其中灵敏的信号将被 EMI 噪声所覆盖。当然，高端音频放大器的空间和成本限制较少，因此配备线性电源和定制变压器的 A 类输出级可提供卓越的音频性能。
运算放大器在优化电路性能方面扮演着各种角色。理想的运算放大器（即使存在）应该具有无限的增益、零输出阻抗和无限的输入阻抗。它必须具有无限的频率响应、不会引入任何噪声，并且必须无失真。没有任何运算放大器可以满足这样严格的要求。
市场上可以买到许多种运算放大器。如果需要比一般产品更好的性能，则需要专业运算放大器。选择正确的运算放大器对于满足应用的多样化需求至关重要。
下述应用示例说明了 IC 运算放大器如何通过正确使用以下特性来克服分立电路的诸多缺点：
- 运算放大器的直流误差特性及其对高精度应用的影响
输入偏置和输入失调电流是许多精密放大器应用中的两个关键特性。两者都会通过电容和电阻反馈影响输出。任何典型运算放大器中的共模抑制比 (CMRR) 都会因引入输入失调电压而降低精度。在微小输入信号实例（例如，信号处于 mV 范围内）中，必定具有较高的 CMRR。
作为对电源电压变化的反应，当出现任何额外的输入失调电压时，电源抑制比 (PSRR) 发挥着关键作用。运算放大器的输入阻抗会构成一个真正的分压器，而放大器由源阻抗和引入的增益误差驱动。为了应对这种情况，设计人员必须选择具有高 CMRR、PSRR 和低速度/功率比的运算放大器。其他要求包括低输入偏置电流和低输入失调电压。
IC 运算放大器 MAX 44260 具有高阻抗 CMOS 输入级，采用特殊的 ESD 结构，可在低输入共模电压下实现低输入偏置电流。它非常适合要求苛刻的应用，如 12 至 14 位 SAR ADC 驱动器，这些应用强制要求轨到轨输入或输出以及低分贝噪声。快速开关模式可进一步节省功耗。它可以显著降低设备处于非工作状态时的静态电流。另一款运算放大器 MAX9620 IC 具有零漂移、低功耗以及低输入失调电压特性。这样的器件使用新型的自动调零方法，以最小的功率来实现精度。低噪声电荷泵有助于运算放大器在输入端实现轨到轨性能。
内部轨使运算放大器能够实现真正的轨到轨输出和输入、获得线性度并提供出色的 CMRR 和 PSRR。另一款运算放大器 MAX4238 利用自相关调零方法提供高精度和超低失调或漂移。这种低失调、1/f 噪声消除和快速建立时间的运算放大器非常适合用于 ADC 缓冲器。
- 用单电源运算放大器实现全波整流
全波整流器理想情况下需要配备双电源的两个运算放大器，因为电源需要摆动双极性输出电压，作为对输入信号正常范围的响应，输出电压可能会变为正或负。用单电源运算放大器实现全波整流。
运算放大器 MAX44267 IC 具有单电源和双运算放大器，提供真正的零输出，可通过单电源轨实现全波整流。由于其中一个放大器中集成 IC 的双运算放大器可采集到 -0.5 倍输入电压的负电压，因此需要一个负电源。外部二极管和电容器可降低电荷泵噪声和低泄漏信号。该放大器采用 +4.5V 到 +15V 的单电源供电。这种架构消除了对任何负电源轨的要求，从而节省了系统尺寸和成本。
图 1: MAX 44267芯片内部结构
- 实现惠斯通电桥的线性化
由廉价、电阻可变和精确的分立部件组装而成的电路执行了设计的大部分前端任务。高精密系统的设计人员遵循将 RTD 元件固有的非线性特征以及惠斯通电桥纳入考虑的惯例。前端必须经过费力的校准，期间需同时线性化位于微控制器侧面的前端。 在某些情况下，0.6% 的线性度不可接受。
该运算放大器不仅解决了电桥固有的非线性问题，而且它还会监视温度传感器元件、RTD 的非线性问题，并使用双运放电路伪造线性化电桥输出。但是，该电路需要为放大器配备正负电源，提供两倍的摆动范围。它的另一个附加优势是共模抑制性能，因为第二个放大器可在 0V 左右很好地工作。
该方案设想 MAX44267 放大器采用单电源供电，因此可以输出双极性电压。与其他需要上方有净空的单电源放大器不同，该运算放大器提供真正的零输出，使其非常适合电桥传感器。如图 1 所示，IC MAX44267 运算放大器集成了电荷泵电路、双运算放大器和偏置电路。另一个优点是降低了电路板布局空间和成本。
图 2: MAX 4428芯片内部功能框图
- 一款用于基站系统的高压高精度电流检测放大器。
依靠现代技术，这些放大器最大可偏置 50V 或 60V。在此类应用中，必须使用双运算放大器来检测电流。第一个运算放大器降低电压，第二个运算放大器设置增益。当通过外部电阻提供电流时，需要使用高压 p 沟道 FET 来尽量减小增益误差。
MAX4428 IC 集成双通道高压侧电流检测放大器和高压 p 沟道 FET，其特性包括最低增益误差、2.7V 至 76V 的输入共模电压，以及 80kHz 的小信号带宽。此器件非常适合与用于多通道多路复用数据采集系统的 SAR ADC 配合使用。监视高压侧电流不会影响正在测量的特定负载的接地路径，因此使该运算放大器可用于各种高压系统。
- ADC 输入的过压电路保护。
当放大器驱动轨远高于 ADC 最大输入范围时，ADC 输入就会受到影响。最常见的情况是使用肖特基二极管来钳制放大器的输出。这种二极管会泄露电容，而泄漏电流会限制带宽并导致失真。
保持电容和恒定漏电流的有效方法是将保护二极管两端的电压保持在 0V。这通过使用久经考验的差分运算放大器驱动器保护技术来实现，该技术会在放大器正常工作期间在保护二极管两端产生 0V 偏压。发生过压时，二极管会将故障电流传导至地面。但是，这种分立保护技术需要更大的空间，并且需要对漏电流进行监视并采取相应措施。放大器还必须具有双电源。
通过使用放大器单电源轨可以消除过压问题。 运算放大器 MAX 4505 信号保护器 IC 与 MOSFET 开关相结合，可构成过压检测电路。IC 运算放大器由具有故障保护输入的单信号线保护器和轨到轨信号管理功能组成。发生故障时，输入端子将转换为开路，并且源漏电流以纳安培计。该运算放大器可屏蔽单极性和双极性模拟信号。
- 健康监测和智能手表等可穿戴设备中的模拟电路。
设计这些独特的设备带来了不同的挑战，包括要求设备必须小到能够戴在手腕上、具有有效的充电状态 (SOC) 监控以及不会影响其 SOC 的电池健康状况监控。这些设备必须具有低功耗和大容量存储、低电源噪声和模拟信号等特性。
如果任何情况发生，这些电路将向微控制器发出警告，即低功耗电路必须持续监视系统的重要功能。低于所需的输出电压表示电池已耗尽，需要充电。比较器运算放大器可用于监控电池电压。
不同的可充电电池具有不同的化学成分。这些差异决定了电池的热稳定性、寿命和特定电池的功率。该解决方案要求使用微型组件和 IC。MAX6778 可用于最小的设备。它能够精确监控电池，最大程度地延长便携式设备的使用寿命。其1% 的精度可使电池比平时使用更长时间，从而推迟了更换。
迟滞现象消除了偶尔发生的与电池电压监控器相关的输出抖动，这通常由输入电压噪声导致。MAX4257 IC 具有提供轨到轨输出和单电源供电的低噪声、低失真运算放大器。该运算放大器的失真极低，同时输入电压噪声密度和输入电流噪声密度也很低。
