一文詳解運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱“ 運(yùn)放 ”，是電力電子中最重要的器件之一，主要作用為：信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理、波形的產(chǎn)生和變換。

一、運(yùn)算放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

集成運(yùn)算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

集成運(yùn)算放大器內(nèi)部一般由四個(gè)單元組成，各單元作用如下

輸入級(jí)：一般采用差分放大電路，用來抑制零點(diǎn)漂移。

中間級(jí)：由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成，主要是提供足夠高的電壓放大倍數(shù)。

輸出級(jí)：電壓增益為1，主要為輸出提供帶載能力。

偏置電路：為各級(jí)電路提供靜態(tài)工作點(diǎn)。

二、運(yùn)算放大器的電路符號(hào)和基本特性

運(yùn)算放大器電路符號(hào)

運(yùn)算放大器的基本特性：

①理想運(yùn)放開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大。

②運(yùn)放輸出電壓不可能超過運(yùn)放供電電壓(一般十幾伏)。

③理想運(yùn)放輸入阻抗無窮大。

④理想運(yùn)放輸出阻抗為零。

虛短與虛斷的概念： 一方面，由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在數(shù)萬倍。 而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般不超過15V。 因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1mV，兩輸入端電位接近相等，相當(dāng)于 “短路”。 另一方面，由于運(yùn)放的輸入阻抗非常大(MΩ級(jí))，所以流入運(yùn)放的電流幾乎為零，相當(dāng)于 “斷路”。

虛短與虛斷主要在涉及運(yùn)放計(jì)算的時(shí)候作為已知條件使用。

三、運(yùn)算放大器的幾個(gè)參數(shù)概念

1.軌至軌(rail to rail): 運(yùn)放通常為晶體管推挽輸出，由于管壓降的存在，運(yùn)放輸出電壓達(dá)不到運(yùn)放電源電壓，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放輸出電壓可以達(dá)到電源電壓值，稱之為軌至軌運(yùn)放。

2.帶寬： 低頻信號(hào)可以正常放大，高頻信號(hào)放大時(shí)會(huì)產(chǎn)生相移和衰減，只有高帶寬的運(yùn)放才能放大高頻信號(hào)，所以叫高速運(yùn)放。 (這里的高速即高頻)

3.增益帶寬積(GBW)： 對(duì)于選定的一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成同類放大電路，增益和帶寬的乘積近似相等，這意味著運(yùn)放的放大倍數(shù)越大，帶寬會(huì)越窄。

4.壓擺率(SR)： 即運(yùn)放輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度。單位為V/us，壓擺率和帶寬屬于運(yùn)放的同一類指標(biāo)，高帶寬壓擺率也會(huì)高，一般壓擺率高的運(yùn)放工作電流也大。

5.輸入阻抗與偏置電流： 輸入偏置電流越小越好，否則就難以認(rèn)為是虛斷的，對(duì)于高阻信號(hào)，運(yùn)放實(shí)際上是不能看成輸入阻抗無窮大的。

6.輸入失調(diào)電壓： 一個(gè)理想的運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，輸出電壓也為0，但實(shí)際上它的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱，為使輸出電壓為0，在輸入端加的補(bǔ)償電壓叫做失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電壓反映了電路的對(duì)稱程度。

7.共模抑制比(CMRR)： 這個(gè)指標(biāo)用來衡量差動(dòng)放大電路抑制共模信號(hào)的能力，其定義為放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)之比，CMRR值越大，差動(dòng)放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，運(yùn)放的性能越好。理想運(yùn)放差分放大電路完全對(duì)稱，共模抑制比趨于無窮大。

四、運(yùn)算放大器的分類

通用型運(yùn)算放大器： 主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。

低溫漂型運(yùn)算放大器： 在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。

高阻型運(yùn)算放大器： 特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般輸入阻抗超過1GΩ~1TΩ,輸入電流為幾皮安到幾十皮安。

高速型運(yùn)算放大器： 主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。

低功耗型運(yùn)算放大器： 由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。

高壓大功率型運(yùn)算放大器： 運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

可編程控制運(yùn)算放大器： 在儀器儀表的使用過程中都會(huì)涉及到量程問題.為了得到固定電壓輸出,就必須改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)。

1.運(yùn)放為什么必須引入負(fù)反饋

引入負(fù)反饋，主要是使放大電路工作在線性區(qū)，使輸出電壓不超過最大輸出電壓，如果不引入負(fù)反饋，由于運(yùn)行的線性區(qū)范圍很小，其電壓放大倍數(shù)又太大，理想認(rèn)為無窮大，輸出極易飽和，沒有穩(wěn)定性可言，顯然這不是我們需要的東西。

雖然負(fù)反饋是以降低放大倍數(shù)為代價(jià)，但本質(zhì)目的是為了改善放大電路的工作性能，如穩(wěn)定放大倍數(shù)、減少非線性失真、擴(kuò)展通頻帶等，并且降低之后的放大倍數(shù)足夠電路設(shè)計(jì)使用，所以在實(shí)用放大器中幾乎都引入負(fù)反饋。

值得注意的是："虛斷"在任何情況下都適用，而"虛短"的前提是運(yùn)放工作在線性區(qū)。

運(yùn)放特性曲線

2.同相放大和反相放大怎么區(qū)分

看輸入信號(hào)Vin從運(yùn)放的哪一端進(jìn)去的，如果是反相端進(jìn)去就是反相放大，從同相端進(jìn)去的就是同相放大，如果兩個(gè)端口都有信號(hào)輸入，一般是差分或者加減法運(yùn)算。

集成運(yùn)算放大器既可以接成同相放大也可以接成反相放大，那使用同相放大好還是反相放大好呢?

我們先看二者的區(qū)別：

①同相放大器

優(yōu)點(diǎn)：輸入高阻抗，對(duì)輸出阻抗很大的電路較有好處。

缺點(diǎn)：放大電路沒有虛地，(除了差模信號(hào)外)還有有較大的共模電壓，抗干擾能力相對(duì)較差，(用同相放大要有較高的共模抑制比)另一個(gè)小缺點(diǎn)就是放大倍數(shù)只能大于1。

②反相放大器

優(yōu)點(diǎn):兩個(gè)輸入電位始終近似為零(同相端接地，反相端虛地)，只有差模信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng);

缺點(diǎn)：輸入阻抗很小，不適用于前級(jí)電路輸出阻抗很大的場(chǎng)合。

3.如何快速判斷運(yùn)放的反饋類型

①判斷是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋：

串聯(lián)是指反饋信號(hào)接在非輸入端;

并聯(lián)是指反饋信號(hào)接在信號(hào)的輸入端。

②判斷是電壓反饋還是電流反饋：

電壓是指反饋信號(hào)取自直接輸出端;

電流是指反饋信號(hào)間接的取自輸出端。

4.單電源運(yùn)放與雙電源運(yùn)放的區(qū)別

最開始運(yùn)放都是雙電源供電，一個(gè)正電源一個(gè)負(fù)電源且絕對(duì)值相同。后來為了應(yīng)對(duì)便攜式設(shè)備低功耗的需求，不少廠家就推出了單電源供電的運(yùn)放來適應(yīng)這種減少電源個(gè)數(shù)降低電源電壓的節(jié)能需求，原有的雙電源供電功能仍然保留;近年來，又出現(xiàn)了純粹的單電源供電(不能使用雙電源)的運(yùn)算放大器。

優(yōu)缺點(diǎn)比較：雙電源的總動(dòng)態(tài)范圍、輸出電壓/電流、精度、負(fù)載抗干擾性優(yōu)于單電源運(yùn)放;

單電源的輸入輸出電壓范圍相比供電電源電壓來說更大。

應(yīng)用區(qū)別

a)供電電壓的區(qū)別;

b)單電源供電的同向輸入放大器要求輸入電壓不能為負(fù);

c)單電源供電的反向輸入放大器要求輸入電壓不能為正;

d)單電源供電的運(yùn)放要放大交流信號(hào)必須提供合適的偏置電壓。

審核編輯：湯梓紅