運(yùn)算放大器的工作原理和基本電路

什么是運(yùn)算放大器？

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier，簡稱“運(yùn)放”）是一種具有極高放大倍數(shù)的電路單元，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它的核心特性是，其輸出信號可以是輸入信號經(jīng)過加、減、微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算后的結(jié)果。由于早期主要被應(yīng)用于模擬計算機(jī)中以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此得名“運(yùn)算放大器”。

運(yùn)算放大器是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器，其電路結(jié)構(gòu)包括兩個輸入端（反相輸入端和同相輸入端）和一個輸出端。當(dāng)在反相輸入端和公共端之間施加電壓時，如果電壓的實際方向從反相輸入端高于公共端，那么輸出電壓的方向則自公共端指向輸出端，即兩者的方向正好相反。

運(yùn)放可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中，如作為電壓跟隨器使用，或用于直流電壓的驅(qū)動或增益等。

運(yùn)算放大器的工作原理

下圖中的電路顯示了運(yùn)算放大器 U1 的符號以及運(yùn)算放大器內(nèi)部的簡化原理圖。運(yùn)算放大器具有正極和負(fù)極電源連接。這提供了來自電源的電力來操作該設(shè)備。

根據(jù)應(yīng)用情況，可以使用單電源或分離電源。運(yùn)放有三個信號端，一個正信號輸入端，一個負(fù)信號輸入端，以及運(yùn)放信號輸出端。運(yùn)算放大器由晶體管(Q1、Q2) 組成的差分輸入級、電平移位器級 Q3 和輸出級 (Q4、Q5) 組成。

當(dāng)正電壓施加到 + 輸入（即 Q1 基極）和 – 輸入接地時，Q3 將被激活以更好地理解這一點(diǎn)）。這允許電流從 Q3 的發(fā)射極流向集電極端子。結(jié)果，R3 和 R4 上將產(chǎn)生正電壓。該電壓激活 Q4，輸出將呈現(xiàn) +V 電壓電平。

另一方面，當(dāng)正電壓施加到接地的 – 輸入和 + 輸入時。 Q3 將不會被激活，因此 Q4 將處于截止?fàn)顟B(tài)，但 Q5 將導(dǎo)通，因為它是 PNP 晶體管，并且其基極的低邏輯會激活它們。現(xiàn)在，輸出引腳將呈現(xiàn)低狀態(tài)，Q5 提供通過其發(fā)射極到集電極端子的電流吸收路徑。

運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)

典型運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理圖如下所示：

帶（-）號的端子稱為反相輸入端，帶（+）號的端子稱為同相輸入端。

V+和V-電源端子分別連接至直流電壓源的正端子和負(fù)端子。 V+和V?的公共端連接到參考點(diǎn)或地，否則兩倍的電源電壓可能會損壞運(yùn)放。

運(yùn)算放大器的參數(shù)規(guī)格

總諧波失真 (THD)： 運(yùn)算放大器本身產(chǎn)生的噪聲。通常以dB表示。

失調(diào)電壓： 當(dāng)施加在輸入引腳之間時，將導(dǎo)致直流輸出電壓為零的直流電壓。如果兩個輸入都接地，運(yùn)算放大器的輸出電壓將不會為零。

轉(zhuǎn)換速率： 對于給定輸入，輸出發(fā)生變化所需的時間。指定為 V/mS。

等效輸入噪聲電壓： 運(yùn)算放大器的噪聲性能。理想電壓源與代表內(nèi)部生成噪聲的輸入引腳串聯(lián)。

共模抑制比： 運(yùn)算放大器抑制同時出現(xiàn)在兩個輸入上的信號的能力。對于差分放大器應(yīng)用尤其重要。

運(yùn)算放大器的基本電路

1、運(yùn)算放大器微分器電路

這是放大器的一種類型，這種放大器的連接可以在輸入和輸出之間進(jìn)行，并且具有非常高的增益。運(yùn)算放大器微分器電路可用于模擬計算機(jī)中執(zhí)行求和、乘法、減法、積分和微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算。

運(yùn)算放大器電路產(chǎn)生與時間導(dǎo)數(shù)輸入電壓成比例的輸出電壓。所以這個運(yùn)算放大器電路被稱為微分器。

2、運(yùn)算放大器積分電路

運(yùn)算放大器積分器電路可以用運(yùn)算放大器和反相輸入端和輸出端之間的電容器以及從反相i/p到電路的整個輸入端的電阻器來構(gòu)建 。

運(yùn)算放大器的應(yīng)用之一是積分器；它可以通過改變電阻和電容的位置來形成。該電路可以產(chǎn)生與輸入電壓時間積分成正比的輸出電壓。因此該電路被稱為積分器電路。

3、運(yùn)算放大器差分電路

差分電路是運(yùn)算放大器中使用的最基本電路之一。下面顯示的是經(jīng)過修改以使用運(yùn)算放大器的差分放大器電路。這構(gòu)成了基本運(yùn)算放大器電路，并解釋了典型運(yùn)算放大器 IC 的輸入特性。

上面畫出了電路的基本配置。提供兩個晶體管Q1和Q2，其中輸入被提供到兩個晶體管的基極。兩個晶體管發(fā)射極都連接到共發(fā)射極RE，使得兩個輸入信號受到其中一個或兩個輸入信號的影響。兩個電源電壓VCC和VEE連接到集電極Q1和發(fā)射極Q2。電路圖中沒有標(biāo)明公共接地點(diǎn)。必須理解的是，正電壓源和負(fù)電壓源的相反點(diǎn)均接地。

當(dāng)1(V1)點(diǎn)輸入增加時，晶體管Q1的發(fā)射極電流增加，從而導(dǎo)致發(fā)射極電阻RE頂部的電壓增加。因此，它降低了晶體管Q2的基極-發(fā)射極電壓VBE。因此，當(dāng) Q2 的 VBE 降低時，晶體管 Q2 中的電流減少。這會導(dǎo)致集電極電阻 RC 中的壓降和輸出電壓 VOUT 的增加，因為它是集電極電源電壓 VCC 與電壓降之間的差值。集電極電阻 RC (ICRC)。這使我們得出這樣的結(jié)論：當(dāng)輸入電壓 V1 增加時，輸出電壓也會增加。這就是為什么 V1 被視為同相輸入。 Vout 與 V1 同相。

在另一時刻，當(dāng)電壓V2增加時，Q2的集電極電流增加，并導(dǎo)致集電極電阻壓降，從而降低輸出電壓VOUT。這就是為什么 V2 被視為反相輸入。 VOUT 與 V2 異相 180 度。