type
status
date
slug
summary
tags
category
icon
password
运算放大器介绍
运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种电子放大器，它具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，增益极高，通常用于信号处理电路中，如放大、滤波、信号转换等。运算放大器有两个输入端，分别是同相输入端（正输入端）和反相输入端（负输入端），以及一个输出端。
一般运放的应用有哪些呢？
- 放大器：最基本的应用，通过在反相和同相输入端之间连接电阻，可以形成一个放大器电路。
- 滤波器：可以通过与电阻和电容组合，形成低通、高通、带通或带阻滤波器。也就是我们说的有源滤波器。
- 积分器和微分器：运算放大器可以与电阻和电容结合，形成积分电路和微分电路，用于信号处理。
- 模拟信号运算：可以进行加减乘除等模拟信号运算。 比较器：当用作比较器时，运算放大器会根据输入电压的高低来改变输出电压的高低。
运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路。分别是输入级，中间级，发大级还有偏置电路。
红色绿色蓝色分别是输入级，中间级和输出级。输入级采用具有很强零点漂移抑制能力的差动放大电路，中间级常采用争议较高的共发射级放大电路，输出级一般采用带负载能力很强的功率放大电路，偏置电路的作用是为各级放大电路提供了工作电压。（也就是我们模电书上那一大坨理论知识，是不是看着很头痛？实际上我们可以不管这些内部构成，只关心输入和输出共三个引脚就好）
基本运算放大器（运放）
基本的运算放大器如图所示：
1、引脚端口：
有两个输入端口：同相（+）输入端 和 反向（-）输入端，一个输出端口，然后 2 个 供电引脚。
2、信号输入：
当输入信号从 “-” 端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号反相;
当输入信号从 “+” 端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号同相;
当两个输入端口同时输入信号时，运算放大器实现减数运算，输出信号与较大的一方同相。
开环增益是指：运放输出端的电压与运放两个输入端之间电位差的比值，即：Vo/（VIN+VIN-）
开环增益你可以理解为运放本身的“放大倍数”，他是一个很大很大的值，理想运放这个值都是 无限大。
所以公式最后基本就是 Vout = 无限大 * 同向输入端与反向输入端的差值。
通过这个东西可以告诉我们一个运放的特性（要记住）：
假如运放的 正输入端的电压 高于 负输入端的电压 ，即便只高一点点，由于开环增益 无限大，所以他还是会产生他能够输出的最大正电压 。
相反的，假如运放的 正输入端的电压 低于 负输入端的电压 ，所以他还是会产生他能够输出的最大负电压 。
运放的开环增益 直接影响用运放通过负反馈构成实际的放大器 后其放大倍数的精度。
运放的开环增益一般可达到100dB以上（105），有的运放甚至高达160dB（108）。
但是 运放的开环增益与工作频率（输入信号频率）有关。频率越高，开环增益越低 。如图所示。
理想运放的特性
一个理想的运算放大器必须具备下列特性（这些东西是理论东西，就算不懂这些名词，也不影响后面我们会使用运放）：
🔆无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开环回路增益、无限大的共模抑制比的部分（可以分为两点：无穷大的共模抑制（也有说法不抑制，只是不增益，放大倍数为1）、无穷大的差模增益；公式：差模/共模，分子变大，分母变小，那么抑制比就是无限大）、无限大的频宽。
特别说明，本文的讨论是基于 “理想的运算放大器”，并且是通用的运算放大器，特殊用途的不在此讨论范围。
运放的主要参数
- 增益（Gain）：运放的输出电压与输入电压的比值。理想运放的增益为无穷大。
- 输入偏置电流（Input Bias Current）：运放在无输入电压时，流经两个输入端的电流。理想运放的输入偏置电流为零。运放的输入阻抗非常大（虚断的概念），但却不是无限大，总会有一些电流，输入偏置电流就是正向输入端和反向输入端电流的平均值。
- 输入偏置电压（Input Bias Voltage）：运放在无输入电流时，两个输入端之间的电压。理想运放的输入偏置电压为零。
- 输入失调电压Uos：一个理想的运放内部两路放大电路时完全对称的，故输入为0（正负端输入完全一样）时，输出也应为0，但在实际中运放内部两路放大电路不可能完全对称；失调电压Uos为：输出为0时，输入段应补偿的电压，通用型运放的 Uos 为mV数量级，有些运放可小至μV数量级。
- 输入失调电流Ios：与失调电压Uos类似，也是受运放内部两路放大电路不可能完全对称的影响，失调电流Ios为正向输入端和反向输入端电流的差值。
- 输入电阻（Input Resistance）：运放输入端的等效电阻。理想运放的输入电阻为无穷大。
- 输出电阻（Output Resistance）：运放输出端的等效电阻。理想运放的输出电阻为零。
- 电源电压范围（Power Supply Voltage Range）：运放正常工作所需的电源电压范围。
- 输出电压范围：在给定电源电压和负载情况下，输出能够达到的最大电压范围。在选择运放的时候要特别注意输出轨到轨。
轨到轨意思是输出或者输入电压的范围和供电范围的临界程度，若很接近，则轨到轨，否则不是轨到轨，又分为输入轨到轨(输入电压范围很接近电源电压范围)和输出轨到轨(输出电压范围很接近电源电压范围)
- 电源电流（Power Supply Current）：运放正常工作时消耗的电源电流。
- 带宽（Bandwidth）：运放能够保持稳定增益的频率范围。
- 增益带宽积（Gain-Bandwidth Product, GBP）：运放的增益与带宽的乘积，通常是一个常数。
- 相位裕度（Phase Margin）：运放在闭环应用中，输入信号频率达到增益交叉频率时，输出信号的相位变化。理想运放的相位裕度应大于45度。
- 压摆率（Slew Rate）：运放输出电压变化的速率，通常以V/μs表示。
- 共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio, CMRR）：运放抑制输入端共同变化的能力，通常以分贝（dB）表示。
- 电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio, PSRR）：运放抑制电源电压变化的能力，通常以分贝（dB）表示。
- 噪声（Noise）：运放在无输入信号时，输出端的随机电压波动。
运放中的电流
先来说说运放工作时候的电流：运放的输入端是没有电流流入或者流出的！！！！ 但是输出端是可以经过电流的！！！
知道这一点是进行后面分析的基础，要说为什么运放输出端是没有电流的，因为他有着无限大的输入阻抗。
输出端的电流流向如下图所示（电流通过正电源流向输出，或者通过输出流向负电源）：
输出端的这些电流是由运放的供电端提供的，其实这里也可以稍微理解一下，为什么运放的输出最大值不可能超过供电电源，输出的最小值不可能低于负电源（ 电流是从电压高的地方流向电压低的地方）。
好了宝宝，这时候我们该引入“虚短”“虚断”这两个运放的重要概念了。记住“虚”这个字。
虚短和虚断
虚短： 集成运算放大器的开环放大倍数很大，一般通用型的运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上，但是运放的输出电压是有限制的，一般 在10V～14V，然而运放的差模输入电压不足1 mV，因此可以输入两端可以近似等电位，就相当于短路。 开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等，这种特性称之为虚短。
说人话：VIN+≈VIN-，两个输入端电位相等，因此可以看作它两中间有条“导线”把他们短路了，但实际上没有，所以叫“虚”短。
虚断： 集成运算放大器具有输入高阻抗的特性，一般同向输入端和反向输入端的输入电阻都在1MΩ以上，所以输入端流入运放的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。所以这里通常可把运放的两输入端视为开路，并且运放的输入电阻越大，同向和反向输入两端越接近开路。在运放处于线性状态时，根据这个特性可以把两输入端视为等效开路，简称虚断。
说人话：运放的输入阻抗超级大，而电流也小，直接把他们看作断开的状态没连接负载。但实际上有连接其他东西对吧？所以是“虚”断。
负反馈
是不是很熟悉的词啊？什么是负反馈？有什么用？
简单来说，负反馈就是把输出端的电压，引入到 负输入端的操作，如下图：
上面 Vout 电压通过 R1 电阻引入到 Vin- 端，形成了一个负反馈电路。
为什么要引入负反馈？负反馈电路分析
在上面我们介绍运放工作特性的时候知道，如果没有反馈，那么运放好像只能用作比较器。这种输入与输出并不存在正常的数学运算的工作方式可能并不是我们想要的。
所以，我们想输出一个稳定的可以计算的电压，就需要引入负反馈，下面是一个最简单的负反馈电路分析：
下面的分析还是基于上面的 1.3 小节 运放的工作特性，那个运放的工作特性是需要记住的重点！
只要记住了运放的工作特性，那么所有的反馈都可以以此为基础进行分析。
我们举一个简单的例子：
上图中已经给出了大部分分析， 分析的前提是基于 运放的输入端没有电流流入，和 运放的工作特性，正输入端 与负输入端在在稳定下来的电路中会基本相等。
上图中继续计算：
( 0 - Vout) / R1 = Vin- /R2 Vout = - (R1/ R2) * Vin-
正反馈
然后有的朋友还会有疑问，既然有负反馈，那么是不是也有正反馈？
正反馈肯定是有的，简单的用几句话说明一下：
负反馈降低了电路的放大能力，但能够改善电路的放大性能，减小了波动，电路稳定性更好。
正反馈提高了电路的放大能力（可以自己根据运放特性想象一下）， 在正反馈中，输入和输出信号的相位相似，因此两个信号相加，适用于振荡电路中。
好了bb，在理解运放的特性和一些理论知识后，我们就可以接着下一步学习啦！
运放电路
这里仅放一些常用经典的电路，具体其他电路设计可以点上面那个链接看。
集成运算放大器的工作状态有两种，分为线性状态和非线性状态，当给集成运算放大器加上负反馈电路时，他就工作在线性状态，如果给集成运算放大器加正反馈电路或当其在开环工作时，他就工作在非线性状态。
集成运算放大器的线性运用
工作在线性状态的集成运算放大器有以下特点
（1）具有虚断特性及流入和流出输入端的电流都为0a，I-=I+=0A。
（2）具有虚短的特性及两个输入端的电压相等,U+=U-。
下面说一下几种常见的电路。
A.反相比例放大器
电压放大倍数A=-(R1/R3)*U-=-10
B.同相比例放大器
电压放大倍数A=1+R5/R6=11
C.加法器
Uout=U1+U2+U3，注意这里的输入电阻要调成同样的大小。
D.减法器
这里的输入电阻同样也是要取大小一样的电阻值，然后反馈电阻和正相输入的下拉电阻要取大小一样的电阻值。
Uout=U±U-。
E.差分放大器
在加法器的基础上改进，把反馈电阻加大，输出端电压就是输入的差值乘以放大倍数。
F.输入跟随器
输出电压和输出电压一样，用于隔离。
I.电流恒流源
在负输入的电压为1V，固定流过R20的电流为1mA,负载接入到反馈电阻R24。
集成运算放大器的非线性运用
当集成运算放大器处于开环和正反馈时，它会工作在非线性状态，工作在非线性状态的集成运算放大器具有以下两个特点。
（1）当同相输入端电压大于反向输入端电压时，输出电压为高电平
（2）当同相输入端电压小于反向输入端电压时，输出电压为低电平
A.单门限电压比较器
当正相输入端的电压大于3V时，输出端电平为高
B滞回比较器
滞回比较器是一种用于检测两个不同电压值并使比较器输出高电平或低电平的电路。滞回比较器的特点是具有迟滞特性，即当输入电压高于某一阈值时，比较器输出高电平，当输入电压低于另一阈值时，比较器输出低电平，而在这两个阈值之间，比较器的输出保持不变。
- Author:黄光灿
- URL:guangcan.icu/article/10b698a0-fad5-8063-ae99-d321e5cf1567
- Copyright:All articles in this blog, except for special statements, adopt BY-NC-SA agreement. Please indicate the source!