運算放大器的工作原理資料

1、運算放大器的工作原理放人器的作用： 1、能把輸入訊號的電壓或功率放人的裝置，由電了管或晶體管、電源 變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。 原 理:高頻功率放人器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進行功率放人，以滿足發(fā)送功 率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在定區(qū)域內(nèi)的接收機可以接收到滿盤的信號 電平，并且不干擾相鄰信道的通信。 高頻功率放人器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按 其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放人器和寬帶高頻功率放人器兩種，窄帶高頻功率放人器 通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調(diào)諧功率放人器或諧振功率放

2、人 器；寬帶高頻功率放人器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調(diào) 諧功率放人器=高頻功率放人器是種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交 流輸出在“低頻電了線路”課程中已知，放人器可以按照電流導通角的不同，運算放人器原理運算放大器(Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP)是-種直流耦合.差模(差 動模式)輸入、通常為單端輸出(Differential-in, single-ended output)的高増益(gain)電壓 放人器，因為剛開始主妥用于加法，乘法等運算電路中，因而得名。個理想的運算放人器必須 具備下列特性：無限人

3、的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限人的開回路增益、無限大的共模 排斥比的部分、無限人的頻寬。最基本的運算放人器如圖1-1。個運算放人器模組般包描- 個正輸入端(OP_P)、 個負輸入端(OP_N)和個輸出端(0P_0)oVs+Vs圖1-1通常使用運算放人器時，會將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形 成負反饋(negative feedback)組態(tài)。原因是運算放人器的電壓增益非常人，范圍從數(shù)百至 數(shù)萬倍不等，使用負反饋方可保證電路的穩(wěn)定運作。但是這并不代衣運算放人器不能連接成正 回饋(positivefeedback),相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號的系

4、統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運算放 人器是很常見的組成元件。開環(huán)回路圖1-2開環(huán)回路運算放人器開環(huán)回路運算放人器如圖1-2。當-個理想運算放人器采用開回路的方式工作時，其輸出 與輸入電壓的關系式如下：Vout = ( V+ -V-) * Aog其中Aog代衣運算放人器的開環(huán)回路差動增益(open-loop differential gai由于運算放人器 的開環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動訊號很小，仍然會讓輸出訊號飽和(saturation),導致非線性的失真出現(xiàn)。因此運算放人器很少以開環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中， 少數(shù)的例外是用運算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準位元

5、的roj 與ru o閉環(huán)負反饋將運算放人器的反向輸入端與輸出端連接起來，放人器電路就處在負反饋組態(tài)的狀況，此 時通?？梢詫㈦娐泛唵蔚胤Q為閉環(huán)放人器。閉環(huán)放人器依據(jù)輸入訊號進入放人器的端點，又可 分為反相(inverting)放人器與非反相(non-inverting)放人器兩種。反相閉環(huán)放人器如圖1-3。假設這個閉環(huán)放人器使用理想的運算放人器，則因為其開環(huán)增 益為無限人，所以運算放人器的兩輸入端為虛接地(virtual ground),其輸出與輸入電壓的關 系式如下：Vout = -(Rf / Rin) * Vin圖1-3反和閉環(huán)放人器非反相閉環(huán)放人器如圖假設這個閉環(huán)放人器使用理想的運算放人器

6、，則因為其開環(huán)增益為無限人，所以運算放人器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關系式如下:Vout = (R2/R1) + 1)* Vin圖14非反相閉環(huán)放人器閉環(huán)正回饋將運算放人器的正向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正 回饋組態(tài)11作于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應用于需耍產(chǎn)生震蕩訊號的應用中。理想運放和理想運 放條件在分析和綜合運放應用電路時，人多數(shù)情況下，可以將集成運放看成個理想運算放人器。 理想運放顧名思義是將集成運放的各項技術指標理想化。由于實際運放的技術指標比較接近理 想運放，因此由理想化帶來的誤差非常小，在般的丄程計算中可以忽略。埋想運放各項技術指標具體

7、如下:1. 開環(huán)差模電壓放人倍數(shù)Aod二8；2. 輸入電阻Rid = oo.輸出電阻Rod =03. 輸入偏置電流IB1=IB2=0 ；% 皿4. 失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO、失調(diào)電壓溫漂dT、失調(diào)電流溫漂丁均為零：5. 共模抑制比CMRR二8：6. -3dB 帶寬 fH 二 g :7. 無內(nèi)部干擾和噪聲。實際運放的參數(shù)達到如下水平即可以按理想運放對待：電壓放人倍數(shù)達到104-105倍；輸入電阻達到105Q；輸出電阻小于幾百歐姆；外電路 中的電流遠人于偏置電流；失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其溫漂很小，造成電路的漂移在允許范圉之內(nèi)， 電路的穩(wěn)定性符合要求即可：輸入最小信號時，有定信噪比，共模抑制比人

8、于等于60dB： 帶寬符合電路帶寬要求即可。運算放人器中的虛短和虛斷含總理想運放匸作在線性區(qū)時可以得出二條重妥的結論：虛短因為理想運放的電壓放人倍數(shù)很人，而運放匸作在線性區(qū)，是個線性放人電路，輸 出電壓不超出線性范圍（即有限值），所以，運算放人器同和輸入端與反相輸入端的電位十分 接近相等。在運放供電電壓為15V時，輸出的最大值般在1013 V。所以運放兩輸入端的 電壓差，在1mV以下，近似兩輸入端短路。這-特性稱為虛短，顯然這不是真正的短路，只 是分析電路時在允許誤差范圍之內(nèi)的合理近似。虛斷由于運放的輸入電阻般都在幾百千歐以上，流入運放同相輸入端和反相輸入端中的 電流十分微小，比外電路中的電流

9、小幾個數(shù)量級，流入運放的電流往往可以忽略，這相當運放 的輸入端開路，這特性稱為虛斷。顯然，運放的輸入端不能真正開路。運用“虛短”、“虛斷”這兩個概念，在分析運放線性應用電路時，可以簡化應用電路的分析過 程。運算放人器構成的運算電路均妥求輸入與輸出之間滿足定的函數(shù)關系，因此均可應用這兩 條結論。如果運放不在線性區(qū)工作，也就沒有“虛短”、“虛斷”的特性。如果測量運放兩輸入端的 電位，達到幾毫伏以上，往往該運放不在線性區(qū)工作，或者已經(jīng)損壞。重要指標輸入失調(diào)電壓UIO個理想的集成運放，當輸入電壓為零時，輸出電壓也應為零（不加調(diào)零裝置）。但實際 上集成運放的差分輸入級很難做到完全對稱，通常在輸入電壓為零

10、時，存在-定的輸出電壓。 輸入失調(diào)電壓是指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補償電壓。實際上是指輸入電壓為零時, 將輸出電壓除以電壓放大倍數(shù)，折算到輸入端的數(shù)值稱為輸入失調(diào)電壓，即UIO的人小反應了運放的對稱程度和電位配合情況UIO越小越好，其量級在2mV-20mV 之間，超低失調(diào)和低漂移運放的UIO 般在V20pV之間輸入失調(diào)電流IIO當輸出電壓為零時，差分輸入級的差分對管基極的靜態(tài)電流之差稱為輸入失調(diào)電流110， 即IO = l-Bl -B2 |由于信號源內(nèi)阻的存在，110的變化會引起輸入電壓的變化，使運放輸出電壓不為零。110 愈小，輸入級差分對管的對稱程度越好，般約為1nA0.1pA,輸

11、入偏宜電流IIB集成運放輸出電壓為零時，運放兩個輸入端卿態(tài)偏置電流的平均值定義為輸入偏置電流.Ab - Kbi + 血）從使用角度來看，偏置電流小好，由于信號源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故輸 入偏置電流是重要的技術指標。般IIB約為1nA0.1pAo輸入失調(diào)電壓溫漂UIO/AT輸入失調(diào)電壓溫漂是指在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化 雖的比值。它是衡量電路溫漂的重要指標，不能用外接調(diào)零裝置的辦法來補償。輸入失調(diào)電壓 溫漂越小越好。般的運放的輸入失調(diào)電壓溫漂在1mV/C20mV/C之間。輸入失調(diào)電流溫漂IIO/AT在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫

12、度變化量之比值稱為輸入失調(diào) 電流溫漂。輸入失調(diào)電流溫漂是放人電路電流漂移的量度，不能用外接調(diào)零裝置來補償。高質(zhì) 量的運放每度幾個pA。最大差模輸入電壓Uidmax最人差模輸入電壓Uidmax是指運放兩輸入端能*受的最人差模輸入電壓。超過此電壓， 運放輸入級對管將進入非線性區(qū)，而使運放的性能顯著惡化，甚至造成損壞。根據(jù)工藝不同， Uidmax 約為5V30V。最人共模輸入電壓Uicmax最人共模輸入電壓Uicmax是指在保證運放正常丄作條件下，運放所能承受的最人共模輸 入電壓。共模電壓超過此值時，輸入差分對管的L：作點進入非線性區(qū)，放人器失去共模抑制能力， 共模抑制比顯著下降。最人共模輸入電壓U

13、icmax定義為，標稱電源電壓下將運放接成電壓跟隨器時，使輸出電 壓產(chǎn)生1 %跟隨誤差的共模輸入電壓值；或定義為下降6dB時所加的共模輸入電壓值。開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud是指集成運放工作在線性區(qū)、接入規(guī)定的負載，輸出電壓的 變化量與運放輸入端口處的輸入電壓的變化量之比。運放的Aud在60-120dB之間。不同功能 的運放，Aud相差懸殊。差模輸入電阻Rid是指輸入差模信號時運放的輸入電阻。Rid越人，對信號源的影響越小, 運放的輸入電阻Rid 般都在幾百千歐以上。運放共模抑制比KCMR的定義與差分放人電路中的定義相同，是差模電壓放人倍數(shù)與共 模電壓放人倍數(shù)之比，常用分貝數(shù)來衣示。不同功能的運

14、放，KCMR也不相同，有的在6070dB 之間，有的高達180dB.； KCMR越人，對共模干擾抑制能力越強。開環(huán)帶寬BW開環(huán)帶寬又稱一3dB帶寬，是指運算放人器的差模電壓放人倍數(shù)Aud在高頻段下降3dB 所對應的頻率fH 單位增益帶寬BWG是指信號頻率增加，使Aud下降到1時所對應的頻率fT,即Aud為 OdB時的信號頻率fT,它是集成運放的重要參數(shù)。741型運放的fT=7Hz是比較低的。轉(zhuǎn)換速率SR （壓擺率）轉(zhuǎn)換速率SR是指放大電路在電壓放人倍數(shù)等于1的條件下，輸入人信號（例如階躍信號） 時，放大電路輸出電壓對時間的最人變化速率，見圖7-1-1 o它反映了運放對于快速變化的輸 入信號的響

15、應能力。轉(zhuǎn)換速率SR的衣達式為轉(zhuǎn)換速率SR是在人信號和離頻信號1：作時的項重要指標，目前般通用型運放壓擺率在140V/ps左右。圖7-1-1壓擺率示意圖圖7-1-1壓擺率示總圖單位增益帶寬BWG （fT）共模抑制比KCMR差模輸入電阻開環(huán)差模電壓放人倍數(shù)Audo (7=0一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸岀端口（Out）和同相、反相兩個高 阻抗輸入端的高增益直 接耦合電壓放大單元，因此可釆用運放制作同相、反相 及差分放大器。 運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電 源供電運放,其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。 采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之

16、間的某一范圉變化。 運放的輸入 電位通常要求高于負電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設計的運 放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化，其至稍微高于正電源 或稍微低于負電源也被允許。這種 運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算 放大器。運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有: 輸岀電壓=A0 （E1-E2）,其中，A0是運放的低頻開環(huán)增益（如lOOdB,即100000 倍）,E1是同相端的輸入信號電壓，E2是反相 端的輸入信號電壓。編輯本段 類型 按照集成運算放大器的參數(shù)來分，集成運算放大器可分為如下兒類。1. 通用型運算放大器通用型運算

17、放大器就是以通用為口的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。例HA741 （單運放）、LM358 （雙運放）、LM324 （四運放）及以場效應管為輸入 級的LF356都屬于此種。它們是口前應用最為廣泛的集成運算放大器。 2.高 阻型運算放大器 這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏 置電流非常小，一般ridlGQlTQ,IB為兒皮安到兒十皮安。實現(xiàn)這些指標的 主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點,用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高 速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點,但輸入失調(diào)電壓

18、較大。常見的集成器件有LF355、LF347 （四運放）及更高輸入阻抗的CA3130. CA3140等。3.低溫漂型運算放大器在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調(diào)電 壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。|_|前 常用的高精度、低溫漂運算放大器有0P07、0P27、AD508及山MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。4-高速型運算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉(zhuǎn)換速率 SR 定要高,單位增益帶寬BWG 一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合于 高速應用的場合的。高速型運算放大器主要

19、特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率 響應。常見的運放有 LM318、UA715 等，其 SR二5070V/us, BWG20MHz。5. 低功耗型運算放大器山于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜式 儀器應用范用的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適 用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為土2V18V,消耗 電流為50250 u Ao LI前有的產(chǎn)品功耗已達nW級，例如ICL7600的供電電源為 1. 5V,功耗為10mW,可釆用單節(jié)電池供電。6.高壓大功率型運算放大器運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算

20、放大器中，輸 岀電壓的最大值一般僅兒十伏，輸出電流僅兒十毫安。若要提高輸出電壓或增大 輸岀電流,集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不 需附加任何電路，即可輸岀高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達 土 150V, UA791集成運放的輸出電流可達lAo7. 可編程控制運算放大器在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題為了得到固定電壓得輸岀, 就必須改變運算放大器得放大倍數(shù)例如:有一運算放大器得放大倍數(shù)為10倍， 輸入信號為lmv時，輸出電壓為10mv,當輸入電壓為0. lmv時，輸出就只有l(wèi)mv, 為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100.程控運放就是為了

21、解決這一問題而產(chǎn) 生得例如PGA103A,通過控制1, 2腳的電平來改變放大的倍數(shù).編輯本段主要參數(shù) 1.共模輸入電阻(RINCM)該參數(shù)表示運算放大器匸作在線性區(qū)時，輸入共模電壓范圉與該范圉內(nèi)偏置 電流的變化量之比。2. 直流共模抑制(CMRDC)該參數(shù)用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信號的抑制能 力。3. 交流共模抑制(CMRAC)CMRAC用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信號的抑制能 力，是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。4.增益帶寬積(GBW)增益帶寬積AOL * /是一個常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線 中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。5

22、輸入偏置電流(IB)該參數(shù)指運算放大器工作在線性區(qū)時流入輸入端的平均電流。6. 輸入偏置電流溫漂(TCIB)該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/ C 為單位表示。7 輸入失調(diào)電流仃OS)該參數(shù)是指流入兩個輸入端的電流之差。8. 輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量oTCIOS通常以pA/ C 為單位表示。9. 差模輸入電阻(RIN)該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應的輸入電流變化量之比，電壓的變化導 致電流的變化。在一個輸入端測量時，另一輸入端接固定的共模電壓。10 輸出阻抗(Z0)該參數(shù)是指運算放大器匸作在線性區(qū)時，輸出端的內(nèi)部等效小信號阻抗。11 輸出電壓擺幅(V0)該參數(shù)