運(yùn)算放大器原理資料

1、運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器（常簡稱為“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運(yùn)放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)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，如今絕大部分的運(yùn)放是以單片的形式存在?，F(xiàn)今運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。 編輯本段歷史直流放大電路在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，特別是在一些測量儀器和自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。如在一些自動控制系統(tǒng)中，首先要把被控制的非電量（如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、流量、照度等）用傳感器轉(zhuǎn)換為

2、電信號，再與給定量比較，得到一個微弱的偏差信號。因?yàn)檫@個微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動顯示或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以需要把這個偏差信號放大到需要的程度，再去推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或送到儀表中去顯示，從而達(dá)到自動控制和測量的目的。因?yàn)楸环糯蟮男盘柖鄶?shù)變化比較緩慢的直流信號，分析交流信號放大的放大器由于存在電容器這樣的元件，不能有效地耦合這樣的信號，所以也就不能實(shí)現(xiàn)對這樣信號的放大。能夠有效地放大緩慢變化的直流信號的最常用的器件是運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器最早被發(fā)明作為模擬信號的運(yùn)算（實(shí)現(xiàn)加減乘除比例微分積分等）單元，是模擬電子計算機(jī)的基本組成部件，由真空電子管組成。目前所用的運(yùn)算放大器，是把多個晶體管組成的直

3、接耦合的具有高放大倍數(shù)的電路，集成在一塊微小的硅片上。第一塊集成運(yùn)放電路是美國仙童（fairchild）公司發(fā)明的A741，在60年代后期廣泛流行。直到今天A741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運(yùn)放原理的典型教材。 編輯本段原理運(yùn)放如上圖有兩個輸入端a,b和一個輸出端o.也稱為倒向輸入端(反相輸入端),非倒向輸入端(同相輸入端)和輸出端.當(dāng)電壓加U-加在a端和公共端(公共端是電壓的零位,它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn).)之間,且其實(shí)際方向從a 端指向公共端時,輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端,即兩者的方向正好相反.當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間,U與U+兩者的實(shí)際方向相對公共端恰好相同.為了區(qū)

4、別起見,a端和b 端分別用-和+號標(biāo)出,但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性.電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示.反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖： 一般可將運(yùn)放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（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，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。運(yùn)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(yùn)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(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正

5、電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運(yùn)算放大器。運(yùn)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：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運(yùn)放的低頻開環(huán)增益（如 100dB，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(yùn)算放大器的參數(shù)來分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類。1通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點(diǎn)是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例A741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)

6、放）、LM324（四運(yùn)放）及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。2高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid1G1T,IB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場效應(yīng)管組成運(yùn)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(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。3低溫漂型運(yùn)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(yùn)算

7、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(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。4高速型運(yùn)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(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。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)。常見的運(yùn)放有LM318、A715等,其SR=5070V/us,BWG20MHz。5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

8、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。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為2V18V,消耗電流為50250A。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)W級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。6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。在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)150V,A

9、791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。7.可編程控制運(yùn)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出,就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù).例如:有一運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)為10倍,輸入信號為1mv時,輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時,輸出就只有1mv,為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100.程控運(yùn)放就是為了解決這一問題而產(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(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時，輸入共模電壓范圍與該范圍內(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

10、運(yùn)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(yùn)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.輸入偏置電流(IB)該參數(shù)指運(yùn)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(IOS)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(T

11、CIOS)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。TCIOS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(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)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(ZO)該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時，輸出端的內(nèi)部等效小信號阻抗。11.輸出電壓擺幅(VO)該參數(shù)是指輸出信號不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。12.功耗(Pd)表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。13.電源抑制比(PSRR)該參數(shù)用來衡量

12、在電源電壓變化時運(yùn)算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。 14.轉(zhuǎn)換速率/壓擺率(SR)該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/µs為單位表示，有時也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。15.電源電流(ICC、IDD)該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。16.單位增益帶寬(BW)該參數(shù)指開環(huán)增益大于1時運(yùn)算放大器的最大工作頻率。17.輸入失調(diào)電壓(VOS)該參數(shù)表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差。18.輸入失調(diào)電壓溫漂(TCVOS)該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以µV/C為單位表示。19.輸入電容(CIN)CIN表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時任何一個輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。20.輸入電壓范圍(VIN)該參數(shù)指運(yùn)算放大器正常工作(可獲得預(yù)期結(jié)果)時，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。21.輸入電壓噪聲密度(eN)對于運(yùn)算放大器，輸入電壓噪聲可