運算放大器基礎知識概述

01 定義

運放全稱是運算放大器，它是一個差分輸入、多級聯(lián)、直接耦合、高增益的單芯片集成電路，搭配一些阻容器件能實現(xiàn)不同功能的運算電路，因而得名。運放有兩個輸入端、一個或兩個輸出端、正負電源供電端。

02 理想運放的特性

在做具體電路分析前，我們需要了解一下理想運放的基本特性：

1）開環(huán)增益無窮大，隨便翻看一下運放的datasheet，開環(huán)增益基本都在100dB以上了；

2）輸入阻抗無窮大，即沒有電流流進運放的輸入端；

3）輸出阻抗為0，實際運放一般會有一個幾十~幾百歐姆的開環(huán)輸出阻抗。

在了解運放上述的特性后，我們就要引出運放的“虛短”和“虛斷”概念了：

1）虛斷：因為運放的輸入阻抗很大，我們可以認為沒有電流流過，就像是開路一般，因此稱為“虛斷”。

2）虛短：在負反饋電路下，為了保證輸出穩(wěn)定，Uo=（U+ - U-）*Auo，我們可以認為U+和U-無限接近，就像短路一樣，因此稱為“虛短”。

虛斷和虛短是分析所有運放電路最基本、最核心的理論假設，大家一定要掌握。

03 負反饋

學過控制理論的同學都知道，一個開環(huán)系統(tǒng)是沒法穩(wěn)定工作的。就以運放為例，運放的開環(huán)增益基本都在100dB以上，輸入端稍微有點風吹草動，輸出就爆了。因此運算放大器電路都會引入負反饋才能正常工作。如下圖所示運放電路，我們利用虛斷和虛短理論，可以很方便的計算輸入和輸出的關系。

根據(jù)虛短，Us=Ux；根據(jù)虛斷，Ux=Uo/(Rf+R2)*R2；因此，推導得到 Uo=Us*(1+Rf/R2)，是不是很簡單？

04 特殊功能放大器

理論上可以使用標準運放實現(xiàn)任何運算、放大的功能，但是受限一些電路的復雜度、外圍器件的精度等原因，自己搭建的特殊功能運放電路性能并不出眾，因此器件廠家就會將這些常用的功能電路進一步集成，這就產(chǎn)生了功能放大器。

1）儀表放大器

其特點是極高的輸入阻抗和極高的共模抑制比，因此特別適合作為傳感器等高精度、小信號調理電路的前級放大。

2）差動放大器

和標準運放的區(qū)別，就是將外圍電阻集成到芯片中，激光校準電阻保證了電路增益精度的同時，又使電路具有較高的共模抑制比，很適合作為ADC的前級驅動電路。

3）壓控增益放大器

可通過外部電壓Vg來連續(xù)控制放大器的增益，一般簡稱為VGA或VCA，有V/V線性和dB線性兩種，也有正控制和負控制兩種。一般在自動增益控制（AGC）系統(tǒng)中被普遍使用。

4）程控增益放大器

顧名思義，可以通過程序來控制放大器的增益，一般簡稱為PGA。主要用于被測信號幅度不定且變化較大的場景，需要根據(jù)ADC的采樣值去動態(tài)調整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，使ADC的采樣值在最佳范圍之內(nèi)。

特殊功能放大器還有很多，大家可以去TI、ADI等模擬IC的官網(wǎng)查看，根據(jù)自己的設計需求選用。如下截取TI官網(wǎng)放大器的分類。

審核編輯：劉清