什么是運(yùn)算放大器？

簡(jiǎn)介：

許多教材和參考指南將 運(yùn)算放大器 (運(yùn)放)定義為可以執(zhí)行各種功能或操作(如放大、加法和減法)的專用集成電路(IC)。 雖然我同意這個(gè)定義，但仍需注重芯片的 輸入引腳的電壓 。

當(dāng)輸入電壓相等時(shí)，運(yùn)算放大器通常在線性范圍內(nèi)工作，而運(yùn)算放大器正是在線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確地執(zhí)行上述功能。 然而，運(yùn)算放大器只能改變一個(gè)條件來(lái)使輸入電壓相等，即 輸出電壓 。 因此，運(yùn)算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱為 電壓反饋 。

在本文中，我將解釋一個(gè)通用電壓反饋運(yùn)算放大器的基本操作。

圖1描述了運(yùn)算放大器的 標(biāo)準(zhǔn)示意圖符號(hào) 。 有兩個(gè)輸入端( IN+, IN- )、一個(gè)輸出端( OUT )和兩個(gè)電源端( V+, V- )。 這些端的名稱可能因制造商而異，甚至單個(gè)制造商也可能使用不同的名稱，但它們?nèi)匀皇?相同的五個(gè)端 。

例如，您可能會(huì)看到Vcc或Vdd而不是V+。 又或者，您可能會(huì)看到Vee或Vss而不是V-。 電源端子的其他標(biāo)簽會(huì)有所不同，因?yàn)樗鼈冎傅氖瞧骷?nèi)部的晶體管類型。 例如，當(dāng)在運(yùn)算放大器內(nèi)部使用 雙極結(jié)型晶體管 (BJT)時(shí)，電源對(duì)應(yīng)于BJT的集電極和發(fā)射極：Vcc和Vee。 在運(yùn)算放大器內(nèi)部使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET)時(shí)，電源標(biāo)簽與FET的漏極和源極相對(duì)應(yīng)：Vdd和Vss。 如今，許多運(yùn)算放大器同時(shí)包含BJT和FET，因此V+和V-是常見(jiàn)的標(biāo)簽，與器件內(nèi)部的晶體管無(wú)關(guān)。 簡(jiǎn)言之，不要太在意引腳標(biāo)簽，只要理解它們的作用即可。

圖1: 通用型運(yùn)算放大器示意圖符號(hào)

等式1表示運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)：

(1)

在等式1中，AOL被稱為 “開(kāi)環(huán)增益 ”。 在現(xiàn)代運(yùn)算放大器中，它通常是一個(gè)非常大的值(120 dB或1,000,000 V/V)。 例如，如果IN+和IN-之間的電壓差僅為1mV，運(yùn)算放大器將嘗試輸出1000V! 在這種配置中，運(yùn)算放大器不在線性區(qū)域內(nèi)工作，因?yàn)檩敵霾荒苁馆斎氡舜讼嗟?記住，理想情況下In+等于In-)。 因此，運(yùn)算放大器需要一種方法來(lái)控制開(kāi)環(huán)增益，即通過(guò)負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2描述了作為反饋控制系統(tǒng)一部分的運(yùn)算放大器。 您會(huì)注意到輸出OUT通過(guò)一個(gè)標(biāo)記為?的塊反饋到負(fù)輸入IN-。 ?被稱為反饋因子，通常使用電阻來(lái)降低輸出電壓。

圖2：負(fù)反饋運(yùn)算放大器

圖3比較了開(kāi)環(huán)運(yùn)算放大器和負(fù)反饋運(yùn)算放大器。 這些TINA-TI軟件仿真電路采用的運(yùn)放是近乎理想的運(yùn)放，加了電源來(lái)限制輸出電壓。 注意，對(duì)于左側(cè)的開(kāi)環(huán)配置，輸出幾乎等于正電源(V+)。 這是因?yàn)檩斎胍_之間有一個(gè)很小的差異( 100mV )。 這種小電壓被開(kāi)環(huán)增益放大，開(kāi)環(huán)增益會(huì)強(qiáng)制輸出到其中一個(gè)電源電壓。 在圖3右側(cè)的負(fù)反饋或閉環(huán)電路中，運(yùn)算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。

圖3：開(kāi)環(huán)(左)與負(fù)反饋(右)

輸入電壓的放大稱為增益。 它是反饋回路中電阻值的函數(shù)。 等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。 您將看到計(jì)算出的輸出電壓與仿真相符。 如果您想要了解有關(guān)此電路(以及其他常見(jiàn)的運(yùn)算放大器電路，如緩沖器、同相放大器和差分放大器)的更多信息，您可以下載電子書(shū) “模擬工程師電路指南：放大器” 。 ”

(2)

運(yùn)算放大器的輸出受到電源電壓的限制。 圖4是圖3中同相放大器的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖。 注意當(dāng)輸出接近正負(fù)電源時(shí)，輸出由于飽和受限。

圖4：同相放大器電路的輸出與輸入電壓

由于這個(gè)限制，在圖5中可以看到，隨著輸出接近電源，輸入引腳之間的電壓差Vdiff增加。 只有當(dāng)輸入幾乎相等時(shí)，運(yùn)算放大器才在線性區(qū)域工作。

圖5：同相放大器電路的Vdiff和IN+

為了更深入地了解運(yùn)算放大器，請(qǐng)查看我們的模擬課程TI高精度實(shí)驗(yàn)室。 本課程將深入探討運(yùn)算放大器，并討論輸入失調(diào)電壓(Vos)、輸入偏置電流(IB)和輸入/輸出限制等基本非理想因素。 還有一些高級(jí)主題講座，如運(yùn)算放大器帶寬(BW)、壓擺率(SR)、噪聲、共模抑制比(CMRR)、電源抑制比(PSRR)和穩(wěn)定性。 除了講座之外，有些主題還包括動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。 為了進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，您需要相應(yīng)的運(yùn)算放大器評(píng)估模塊。

如果您喜歡DIY一些電路，那么可能會(huì)對(duì)通用DIY放大器電路評(píng)估模塊(用于單通道運(yùn)放)、雙通道通用DIY放大器電路評(píng)估(用于雙通道運(yùn)放)或DIP封裝轉(zhuǎn)換評(píng)估模塊(可與標(biāo)準(zhǔn)的打樣板或電路試驗(yàn)板一起使用)感興趣。 DIY-EVMs支持不同封裝的運(yùn)放，并具有許多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器電路，如本文所述的同相放大器、反相放大器、緩沖器和濾波器(包括Sallen-Key和多反饋)。 由于雙列直插式封裝(DIP)轉(zhuǎn)換EVM可以將許多標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝封裝轉(zhuǎn)換為DIP，以便與電路試驗(yàn)板一起使用，因此您可以評(píng)估任何配置的放大器。

這就是運(yùn)算放大器的 基本原理 ：只有當(dāng)輸入引腳的電壓相等時(shí)，運(yùn)算放大器才是線性的。 然而，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，運(yùn)算放大器只能調(diào)整其輸出電壓。 輸出擺幅限制會(huì)導(dǎo)致輸入電壓差增大，從而導(dǎo)致非線性。

審核編輯：湯梓紅

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