運算放大器的原理與特性

　　運算放大器是模擬電子電路的基本組成部分之一，同時它也是一種具有非常高增益的直流差分放大器，使用一個或多個外部反饋網(wǎng)絡(luò)來控制其響應(yīng)和特性。英銳恩單片機開發(fā)工程師表示，我們可以通過多種不同的方式將外部電阻器或電容器連接至運算放大器，以形成基本的“構(gòu)建模塊”電路，例如反相、同相、電壓跟隨器、求和、差分、積分器和差分器放大器。

　　運算放大器的介紹

　　運算放大器是線性器件，具有幾乎理想的DC放大所需的所有特性，因此廣泛用于信號調(diào)理，濾波或執(zhí)行數(shù)學(xué)運算?！袄硐搿钡倪\算放大器是具有某些特殊特性的設(shè)備，例如無限開環(huán)增益AO，無限輸入電阻RIN，零輸出電阻ROUT，無限帶寬0至∞和零偏移。

　　運算放大器采用單個器件內(nèi)的單雙或四運算放大器的IC封裝。普通運算放大器中最常用和使用的是行業(yè)標準μA-741。

　　在標準配置或內(nèi)部結(jié)型FET晶體管中，有大量的運算放大器IC可滿足各種可能的應(yīng)用，包括標準雙極、精密、高速、低噪聲、高壓等各種應(yīng)用。

　　運算放大器，從根本上是一個電壓放大裝置設(shè)計成與外部反饋組件，諸如其輸出和輸入端子之間的電阻器和電容器被使用。這些反饋分量決定了放大器的最終功能或“操作”，并且借助電阻、電容或兩者的不同反饋配置，放大器可以執(zhí)行各種不同的操作，因此得名“運算放大器”。

　　一個運算放大器基本上是它由兩個高阻抗輸入的三端子裝置。輸入之一稱為反相輸入，標有負號或“-”號。另一個輸入被稱為同相輸入，標有正或“+”號。

　　第三個端子代表運算放大器的輸出端口，它既可以吸收也可以提供電壓或電流。在線性運算放大器中，輸出信號是放大系數(shù)，稱為放大器增益（A）乘以輸入信號的值，并且根據(jù)這些輸入和輸出信號的性質(zhì)，可以有四種不同的運算類別。放大器增益。

　　電壓：電壓“輸入”和電壓“輸出”；

　　當前：當前“輸入”和當前“輸出”；

　　跨導(dǎo)：電壓“輸入”和電流“輸出”；

　　跨阻：電流“輸入”和電壓“輸出”。

　　由于涉及運算放大器的大多數(shù)電路都是電壓放大器，因此我們將本節(jié)中的教程僅限于電壓放大器（Vin和Vout）。

　　運算放大器的輸出電壓信號是施加到其兩個單獨輸入的信號之間的差。換句話說，運算放大器的輸出信號是兩個輸入信號之間的差，因為運算放大器的輸入級實際上是一個差分放大器，如下所示。

　　差動放大器

　　下面的電路顯示了差分放大器的一般形式，其中兩個輸入標記為V1和V2。兩個相同的晶體管TR1和TR2都在相同的工作點偏置，其發(fā)射極連接在一起，并通過電阻Re返回到共軌-Vee。

　　該電路采用雙電源+Vcc和-Vee供電，以確保恒定電源。放大器的輸出端Vout上出現(xiàn)的電壓是兩個輸入信號之間的差，因為兩個基極輸入彼此反相。

　　因此，隨著晶體管TR1的正向偏置增大，晶體管TR2的正向偏置減小，反之亦然。然后，如果兩個晶體管完全匹配，則流過公共發(fā)射極電阻Re的電流將保持恒定。

　　像輸入信號一樣，輸出信號也是平衡的，并且由于集電極電壓沿相反方向（反相）或沿相同方向（同相）擺動，因此從兩個集電極之間獲取的輸出電壓信號為一個完美平衡的電路，兩個集電極電壓之間的零差。

　　這被稱為共模操作，當輸入為零時，放大器的共模增益為輸出增益。

　　運算放大器還具有一個低阻抗的輸出（盡管有一個輸出帶有一個額外的差分輸出），該輸出以一個公共接地端為參考，并且它應(yīng)忽略任何共模信號，也就是說，如果將同一個信號同時應(yīng)用于反相和反相，則運算放大器應(yīng)該忽略任何共模信號。同相輸入，輸出應(yīng)保持不變。

　　但是，在實際放大器中，總會有一些變化，并且相對于共模輸入電壓的變化，輸出電壓的變化比簡稱為共模抑制比或CMRR。

　　運算放大器本身具有很高的開環(huán)直流增益，通過施加某種形式的負反饋，我們可以生產(chǎn)出一種運算放大器電路，其電路具有非常精確的增益特性，該特性僅取決于所使用的反饋。注意，術(shù)語“開環(huán)”意味著在放大器周圍沒有使用反饋組件，因此反饋路徑或環(huán)路是開路的。

　　運算放大器僅響應(yīng)其兩個輸入端子上的電壓差（通常稱為“差分輸入電壓”），而不響應(yīng)其公共電位。然后，如果將相同的電勢施加到兩個端子，則最終輸出將為零。運算放大器的增益通常稱為開環(huán)差分增益，并賦予符號（Ao）。

　　理想運算放大器的等效電路

　　運算放大器參數(shù)和理想特性

　　開環(huán)增益（Avo）：運算放大器的主要功能是放大輸入信號，開環(huán)增益越大越好。開環(huán)增益是沒有正反饋或負反饋的運算放大器的增益，對于這樣的放大器，增益將是無限的，但典型的實際值范圍約為20000至200000。

　　輸入阻抗（ZIN）：輸入阻抗是輸入電壓與輸入電流的比率，假定為無限，以防止任何電流從源電源流入放大器的輸入電路（IIN=0）。實際運算放大器的輸入泄漏電流從幾微微安至幾毫安。

　　輸出阻抗（ZOUT）：理想的運算放大器的輸出阻抗假定為零，可以用作沒有內(nèi)部電阻的理想內(nèi)部電壓源，因此它可以向負載提供所需的電流。該內(nèi)部電阻有效地與負載串聯(lián)，從而降低了負載可用的輸出電壓。實際運算放大器的輸出阻抗為100-20kΩ。

　　帶寬（BW）：理想的運算放大器具有無限的頻率響應(yīng)，并且可以將任何頻率信號從DC放大到最高AC頻率，因此可以假定它具有無限的帶寬。對于實際的運算放大器，帶寬受增益帶寬乘積（GB）的限制，該乘積等于放大器增益變?yōu)閱挝坏念l率。

　　失調(diào)電壓（VIO）：當反相輸入和同相輸入之間的電壓差為零，相同或兩個輸入都接地時，放大器的輸出將為零。實際運算放大器具有一定的輸出失調(diào)電壓。

　　從上面的這些“理想化”特性，我們可以看到輸入電阻是無限的，因此沒有電流流入任何一個輸入端子（“電流規(guī)則”），并且差分輸入失調(diào)電壓為零（“電壓規(guī)則”）。重要的是要記住這兩個屬性，因為它們將幫助我們了解運算放大器在運算放大器電路的分析和設(shè)計方面的工作原理。

　　但是，實際的運算放大器（例如，通用的uA741）不具有無限的增益或帶寬，而具有典型的“開環(huán)增益”，其定義為放大器在不連接任何外部反饋信號的情況下輸出放大信號，對于典型的運算放大器在DC（0Hz）時約為100dB。該輸出增益在大約1MHz處隨頻率下降到“單位增益”或1呈線性下降，這在下面的開環(huán)增益響應(yīng)曲線中顯示。

　　開環(huán)頻率響應(yīng)曲線

　　從該頻率響應(yīng)曲線可以看出，增益與頻率的乘積在曲線的任何一點都是恒定的。同樣，單位增益（0dB）頻率也決定了曲線上任何一點的放大器增益。該常數(shù)通常稱為增益帶寬積或GBP。因此：

　　GBP=收益x帶寬=AxBW

　　例如，從上方的圖表中，放大器在100kHz的增益為20dB或10，則增益帶寬乘積的計算公式為：

　　GBP=AxBW=10x100，000Hz=1000000。

　　同樣，運算放大器的增益為1kHz=60dB或1000，因此GBP為：

　　GBP=AxBW=1000x1000Hz=1000000，兩者相同。

　　運算放大器的電壓增益（AV）可使用以下公式：

　　放大倍數(shù)（dB）被給定為：

　　運算放大器的帶寬

　　運算放大器的帶寬是該放大器的電壓增益高于其最大輸出值的70.7％或-3dB（其中0dB為最大值）的頻率范圍，如下所示。

　　這里我們以40dB線路為例。頻率響應(yīng)曲線的-3dB或Vmax下降點的70.7％為37dB。穿過一條線直到它與主要GBP曲線相交，可以在12kHz至15kHz處獲得一個略高于10kHz線的頻率點。現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道放大器的GBP，在這種情況下為1MHz，因此我們可以更精確地計算出該值。

　　運算放大器示例：

　　使用公式20log（A），我們可以將放大器的帶寬計算為：

　　37=20log（A）因此，A=反對數(shù)（37÷20）=70.8

　　GBP÷A=帶寬，因此1000000÷70.8=14，124Hz或14kHz

　　然后，如先前從該圖所預(yù)測的，放大器在40dB增益處的帶寬為14kHz。

　　如果在上述頻率響應(yīng)曲線中將運算放大器的增益降低一半，例如20dB，則-3dB點將變?yōu)?7dB。然后，這將使運算放大器的整體增益為7.08，因此A=7.08。

　　如果我們使用與上述相同的公式，那么這個新增益將為我們提供大約141.2kHz的帶寬，比40dB點處給出的頻率高十倍。因此，可以看出，通過降低運算放大器的整體“開環(huán)增益”，帶寬會增加，反之亦然。

　　換句話說，運算放大器的帶寬與其增益（A1/∞BW）成反比。此外，由于放大器的輸出功率為其最大值的一半，因此，該-3dB拐角頻率點通常稱為“半功率點”，如下所示：

　　以上就是英銳恩單片機開發(fā)工程師分享的運算放大器基礎(chǔ)知識的原理和特性。英銳恩專注單片機應(yīng)用方案設(shè)計與開發(fā)，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機、運算放大器和模擬開關(guān)。