運(yùn)算放大器的工作原理

1、囪運(yùn)算放大器的工作原理放大器的作用：1、能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動控制等各種裝置中。原理:高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級，作用是將高頻已調(diào)波信號進(jìn)行功率放大，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，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(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大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大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)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻

2、功率放大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)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(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子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，運(yùn)算放大器原理運(yùn)算放大器（OperationalAmplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合，差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出（Differential-in,single-endedoutput）的高增益（gain）電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、

3、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運(yùn)算放大器如圖1-1o一個運(yùn)算放大器模組一般包括一個正輸入端（OP_P）、一個負(fù)輸入端（OP_N）和一個輸出端（OP_O）。圖1-1通常使用運(yùn)算放大器時，會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)生震蕩訊號的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見的組成元件。

4、開環(huán)回路圖1-2開環(huán)回路運(yùn)算放大器開環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖1-2。當(dāng)一個理想運(yùn)算放大器采用開回路的方式工作時，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)算放大器的開環(huán)回路差動增益(open-loopdifferentialgai由于運(yùn)算放大器的開環(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(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。因此運(yùn)算放大器很少以開環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(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，放大器電路

5、就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時通?？梢詫㈦娐泛唵蔚胤Q為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號進(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)放大器兩種。反相閉環(huán)放大器如圖1-3。假設(shè)這個閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，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1-4o假設(shè)這個閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因為其開環(huán)增益為無限大，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

6、: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，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)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號的應(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，大多數(shù)情況下，可以將集成運(yùn)放看成一個理想運(yùn)算放大器。理想運(yùn)放顧名思義是將集成運(yùn)放的各項技術(shù)指標(biāo)理想化。由于實際運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)比較接近理想運(yùn)放，因此由理想化帶來的誤差非常小，在一般的工程計算中可以忽略。理想運(yùn)放各項技術(shù)指標(biāo)具體如下:1 .開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod=8、2 .輸入電阻Rid=罟輸出電阻Rod=03 .輸入偏置電流舊1

7、=舊2=0;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dT均為零；5 .共模抑制比CMRR=8;6 .-3dB帶寬fH=8；7 .無內(nèi)部干擾和噪聲。實際運(yùn)放的參數(shù)達(dá)到如下水平即可以按理想運(yùn)放對待：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；輸入最小信號時，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)時可以得出二條重要的結(jié)論：虛短因為理想運(yùn)放的電壓放大

8、倍數(shù)很大，而運(yùn)放工作在線性區(qū)，是一個線性放大電路，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)放供電電壓為由5V時，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(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數(shù)量級，流入運(yùn)放的電流往往可以忽略，這相當(dāng)運(yùn)放的輸入端開路，這一特性稱為虛斷。顯然，運(yùn)放的輸入端不能真正開路。運(yùn)用虛短、虛斷”這兩個概念，在分析

9、運(yùn)放線性應(yīng)用電路時，可以簡化應(yīng)用電路的分析過程。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，也就沒有虛短、虛斷”的特性。如果測量運(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一個理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時，輸出電壓也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實際上集成運(yùn)放的差分輸入級很難做到完全對稱，通常在輸入電壓為零時，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)

10、電壓，即UIO的大小反應(yīng)了運(yùn)放的對稱程度和電位配合情況。UIO越小越好，其量級在2mV20mV之間，超低失調(diào)和低漂移運(yùn)放的UIO一般在1aV20aV之間輸入失調(diào)電流IIO當(dāng)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IIO,即Ao=/B2|由于信號源內(nèi)阻的存在，IIO的變化會引起輸入電壓的變化，使運(yùn)放輸出電壓不為零。IIO愈小，輸入級差分對管的對稱程度越好，一般約為1nA0.1aA。輸入偏置電流I舊集成運(yùn)放輸出電壓為零時，運(yùn)放兩個輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值定義為輸入偏置電流，即%=5（1E1+5）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

11、，故輸入偏置電流是重要的技術(shù)指標(biāo)。一般I舊約為1nA0.1aA。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)電流溫漂是放大電路電流漂移的量度，不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償。高質(zhì)量的運(yùn)放每度幾個pA。最大差模輸入電壓Uidmax最大差模輸入電壓Uidmax是指運(yùn)放兩

12、輸入端能承受的最大差模輸入電壓。超過此電壓，運(yùn)放輸入級對管將進(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i5V士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。共模電壓超過此值時，輸入差分對管的工作點(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)稱電源電壓下將運(yùn)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(yùn)放工作在線性區(qū)、接入規(guī)定的負(fù)載

13、，輸出電壓的變化量與運(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是指輸入差模信號時運(yùn)放的輸入電阻。Rid越大，對信號源的影響越小,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)180dBoKCMR越大，對共模干擾抑制能力越強(qiáng)。開環(huán)帶寬BW開環(huán)帶寬又稱-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所對應(yīng)的頻率fHo單位增

14、益帶寬BWG是指信號頻率增加，使Aud下降到1時所對應(yīng)的頻率fT,即Aud為0dB時的信號頻率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（例如階躍信號）時，放大電路輸出電壓對時間的最大變化速率，見圖7-1-1o它反映了運(yùn)放對于快速變化的輸入信號的響應(yīng)能力。轉(zhuǎn)換速率SR的表達(dá)式為轉(zhuǎn)換速率SR是在大信號和高頻信號工作時的一項重要指標(biāo),在110V/心s左右。目前一般通用型運(yùn)放壓擺率TL&圖7-1-1壓擺率不意圖圖7-1-1壓擺率示意圖單位增益帶寬BWG（fT）共模抑制比KCMR差模輸入電

15、阻開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud5LT=O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)

16、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pA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)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

17、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rid1GQ1TQ,IB為幾皮安到幾十皮安。實現(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CA3130CA3140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O

18、P07OP27AD508及由MOSFET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-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仙A715等，其SR=5070V/us,BW620MHz5 .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、

19、TL-060C等，其工作電壓為土2V18V,消耗電流為50250仙Ao目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)nW級，例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW燈采用單節(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)150VA791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

20、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PGA103Ag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。8 .直流共模抑制(CMRDC)該參數(shù)用于衡量運(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。9 .交流共模抑制(CMRAC)CMRACB于衡量運(yùn)算放大器

21、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。10 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。11 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/0C為單位表小。12 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。13 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。TCIOS常以pA/0C為單位表小。14 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。15 .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。16 .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