運(yùn)算放大器工作原理是什么

1、文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持運(yùn)算放大器工作原理是什么？運(yùn)算放大器（OperationalAmplifier,簡(jiǎn)稱(chēng)OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合，差模（差動(dòng)模式）輸入、通常為單端輸出（Differential-in,single-endedoutput）的高增益（gain）電壓放大器，因?yàn)閯傞_(kāi)始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無(wú)限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。最基本的運(yùn)算放大器如圖1-1。一個(gè)運(yùn)算放大器模組一般包括一個(gè)正輸入端（OP_P）、一個(gè)負(fù)

2、輸入端（OP_N）和一個(gè)輸出端（OP_O）。通常使用運(yùn)算放大器時(shí)，會(huì)將其輸出端與其反相輸入端（invertinginputnode）連接，形成一負(fù)反饋（negativefeedback）組態(tài)。原因是運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬(wàn)倍不等，使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運(yùn)作。但是這并不代表運(yùn)算放大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(hào)的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見(jiàn)的組成元件。開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖1-2。當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開(kāi)回路的方式工作時(shí)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：Vout=(V+-V-)*Aog其中Aog代表運(yùn)算放

3、大器的開(kāi)環(huán)回路差動(dòng)增益(open-loopdifferentialgai由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動(dòng)訊號(hào)很小，仍然會(huì)讓輸出訊號(hào)飽和(saturation),導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。因此運(yùn)算放大器很少以開(kāi)環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器(comparator),比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元的0與1。閉環(huán)負(fù)反饋將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通?？梢詫㈦娐泛?jiǎn)單地稱(chēng)為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn)，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩

4、種。反相閉環(huán)放大器如圖1-3。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地(virtualground),其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：Vout=-(Rf/Rin)*Vin圖1-3反相閉環(huán)放大器非反相閉環(huán)放大器如圖1-4。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：Vout=(R2/R1)+1)*Vin圖1-4非反相閉環(huán)放大器閉環(huán)正回饋將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應(yīng)用

5、于需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的應(yīng)用中。理想運(yùn)放和理想運(yùn)放條件在分析和綜合運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，大多數(shù)情況下，可以將集成運(yùn)放看成一個(gè)理想運(yùn)算放大器。理想運(yùn)放顧名思義是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化。由于實(shí)際運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)比較接近理想運(yùn)放，因此由理想化帶來(lái)的誤差非常小，在一般的工程計(jì)算中可以忽略。理想運(yùn)放各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)具體如下：1.開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod=00;2 .輸入電阻Rid=",輸出電阻Rod=03 .輸入偏置電流IB1=IB2=0;d/4 .失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO、失調(diào)電壓溫漂打、失調(diào)電流溫漂4丁均為零；5 .共模抑制比CMRR=8；6 .-3dB帶寬fH=00；7 .無(wú)內(nèi)部干擾和噪

6、聲。實(shí)際運(yùn)放的參數(shù)達(dá)到如下水平即可以按理想運(yùn)放對(duì)待：4文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持電壓放大倍數(shù)達(dá)到104105倍；輸入電阻達(dá)到105Q;輸出電阻小于幾百歐姆；外電路中的電流遠(yuǎn)大于偏置電流；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圍之內(nèi)，電路的穩(wěn)定性符合要求即可；輸入最小信號(hào)時(shí)，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB；帶寬符合電路帶寬要求即可。運(yùn)算放大器中的虛短和虛斷含意理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)可以得出二條重要的結(jié)論：虛短因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，而運(yùn)放工作在線性區(qū)，是一個(gè)線性放大電路，輸出電壓不超出線性范圍（即有限值），所以，運(yùn)算放大器同相輸

7、入端與反相輸入端的電位十分接近相等。在運(yùn)放供電電壓為±15V時(shí)，輸出的最大值一般在1013V。所以運(yùn)放兩輸入端的電壓差，在1mV以下，近似兩輸入端短路。這一特性稱(chēng)為虛短，顯然這不是真正的短路，只是分析電路時(shí)在允許誤差范圍之內(nèi)的合理近似。虛斷由于運(yùn)放的輸入電阻一般都在幾百千歐以上，流入運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端中的電流十分微小，比外電路中的電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，流入運(yùn)放的電流往往可以忽略，這相當(dāng)運(yùn)放的輸入端開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛斷。顯然，運(yùn)放的輸入端不能真正開(kāi)路。運(yùn)用“虛短”、“虛斷”這兩個(gè)概念，在分析運(yùn)放線性應(yīng)用電路時(shí)，可以簡(jiǎn)化應(yīng)用電路的分析過(guò)程。運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路均要求輸入與輸出之

8、間滿足一定的函數(shù)關(guān)系，因此均可應(yīng)用這兩條結(jié)論。如果運(yùn)放不在線性區(qū)工作，也就沒(méi)有“虛短”、“虛斷”的特性。如果測(cè)量運(yùn)放兩輸入端的電位，達(dá)到幾毫伏以上，往往該運(yùn)放不在線性區(qū)工作，或者已經(jīng)損壞。重要指標(biāo)輸入失調(diào)電壓UIO一個(gè)理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實(shí)際上集成運(yùn)放的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱(chēng)，通常在輸入電壓為零時(shí)，存在一定的輸出電壓。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(bǔ)償電壓。實(shí)際上是指輸入電壓為零時(shí)，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(chēng)為輸入失調(diào)電壓，即UIO的大小反應(yīng)了運(yùn)放的對(duì)稱(chēng)程度和電位配合情況。UIO越小越好，其量級(jí)在2m

9、V20mV之間，超低失調(diào)和低漂移運(yùn)放的UIO一般在1陽(yáng)20因之問(wèn)輸入失調(diào)電流IIO當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極的靜態(tài)電流之差稱(chēng)為輸入失調(diào)電流IIO,即由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，IIO的變化會(huì)引起輸入電壓的變化，使運(yùn)放輸出電壓不為零。IIO愈小，輸入級(jí)差分對(duì)管的對(duì)稱(chēng)程度越好，一般約為1nA0.1輸入偏置電流IIB集成運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值定義為輸入偏置電流，即弭二點(diǎn)1田十為2)從使用角度來(lái)看，偏置電流小好，由于信號(hào)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(shù)指標(biāo)。一般I舊約為1nA0.1pAo輸入失調(diào)電壓溫漂UIO/萬(wàn)輸入失調(diào)電壓溫漂是

10、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量的比值。它是衡量電路溫漂的重要指標(biāo)，不能用外接調(diào)零裝置的辦法來(lái)補(bǔ)償。輸入失調(diào)電壓溫漂越小越好。一般的運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在土1mV/C±20mV/C之間。輸入失調(diào)電流溫漂AIO/萬(wàn)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度變化量之比值稱(chēng)為輸入失調(diào)電流溫漂。輸入失調(diào)電流溫漂是放大電路電流漂移的量度，不能用外接調(diào)零裝置來(lái)補(bǔ)償。高質(zhì)量的運(yùn)放每度幾個(gè)pAo最大差模輸入電壓Uidmax7文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持最大差模輸入電壓Uidmax是指運(yùn)放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓。超過(guò)

11、此電壓,運(yùn)放輸入級(jí)對(duì)管將進(jìn)入非線性區(qū)，而使運(yùn)放的性能顯著惡化，甚至造成損壞。根據(jù)工藝不同，Uidmax約為±5V±30V。最大共模輸入電壓Uicmax最大共模輸入電壓Uicmax是指在保證運(yùn)放正常工作條件下，運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。共模電壓超過(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管的工作點(diǎn)進(jìn)入非線性區(qū)，放大器失去共模抑制能力，共模抑制比顯著下降。最大共模輸入電壓Uicmax定義為，標(biāo)稱(chēng)電源電壓下將運(yùn)放接成電壓跟隨器時(shí)，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(shí)所加的共模輸入電壓值。開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud是指集成運(yùn)放工作在線性區(qū)、接入規(guī)定的負(fù)載，輸出電壓的變化量

12、與運(yùn)放輸入端口處的輸入電壓的變化量之比。運(yùn)放的Aud在60120dB之間。不同功能的運(yùn)放，Aud相差懸殊。差模輸入電阻Rid是指輸入差模信號(hào)時(shí)運(yùn)放的輸入電阻。Rid越大，對(duì)信號(hào)源的影響越小，運(yùn)放的輸入電阻Rid一般都在幾百千歐以上。運(yùn)放共模抑制比KCMR的定義與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，常用分貝數(shù)來(lái)表示。不同功能的運(yùn)放，KCMR也不相同，有的在6070dB之間，有的高達(dá)180dB。KCMR越大，對(duì)共模干擾抑制能力越強(qiáng)。開(kāi)環(huán)帶寬BW開(kāi)環(huán)帶寬又稱(chēng)-3dB帶寬，是指運(yùn)算放大器的差模電壓放大倍數(shù)Aud在高頻段下降3dB所對(duì)應(yīng)白頻率fH。單位增益帶寬BWG是指信

13、號(hào)頻率增加，使Aud下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率fT,即Aud為0dB時(shí)的信號(hào)頻率fTo它是集成運(yùn)放的重要參數(shù)。741型運(yùn)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大倍數(shù)等于1的條件下，輸入大信號(hào)（例如階躍信號(hào)）時(shí)，放大電路輸出電壓對(duì)時(shí)間的最大變化速率，見(jiàn)圖7-1-1。它反映了運(yùn)放對(duì)于快速變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為國(guó)=士二一R|dt轉(zhuǎn)換速率SR是在大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，目前一般通用型運(yùn)放壓擺率在110V/肉左右圖7-1-1壓攫率示意圖單位增益帶寬BWG（fT）共模抑制比KCMR差模輸入電阻開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud運(yùn)放如

14、上圖有兩個(gè)輸入端a,b和一個(gè)輸出端o.也稱(chēng)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(shí)，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(duì)公共端恰好相同.為了區(qū)別起見(jiàn)啟端和b端分別用"-"和"+”號(hào)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：10文檔來(lái)源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可

15、編輯.歡迎下載支持一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口（Out）和同相、反相兩個(gè)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(duì)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(dòng)輸入電壓為零時(shí)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(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)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(chēng)為軌到軌（rail-to-rail）輸入運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器

16、的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)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(kāi)環(huán)增益（如100dB，即100000倍），E1是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2是反相端的輸入信號(hào)電壓。編輯本段類(lèi)型按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類(lèi)。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(jì)的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)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。例以A741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)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(lèi)集成運(yùn)算放大器的

17、特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一股rid>1GQ1TQ,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(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí),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(jiàn)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(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)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(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP07、OP27、

18、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(chǎng)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(jiàn)的運(yùn)放有LM318、心715等，其SR=5070V/us,BWG>20MHz。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-06

19、0C等,其工作電壓為±2V±18V,消耗電流為50250內(nèi)目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)仙W級(jí)，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,mA791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(guò)程中都會(huì)涉及到

20、量程得問(wèn)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(hào)為1mv時(shí),輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時(shí),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(wèn)題而產(chǎn)生得.例如PGA103A,通過(guò)控制1,2腳的電平來(lái)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(shí)，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)用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同直流信號(hào)的抑制能力。3. 交流共模抑制(CMRAC)C

21、MRAC用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同交流信號(hào)的抑制能力，是差模開(kāi)環(huán)增益除以共模開(kāi)環(huán)增益的函數(shù)。4. 增益帶寬積(GBW)增益帶寬積AOL*?是一個(gè)常量，定義在開(kāi)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)輸入端測(cè)量時(shí)，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(shí)，輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗。11. 輸出電壓擺幅(VO)該參數(shù)是指輸出信號(hào)不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰