運(yùn)算放大器的原理與特性

　　運(yùn)算放大器是模擬電子電路的基本組成部分之一，同時(shí)它也是一種具有非常高增益的直流差分放大器，使用一個(gè)或多個(gè)外部反饋網(wǎng)絡(luò)來控制其響應(yīng)和特性。英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師表示，我們可以通過多種不同的方式將外部電阻器或電容器連接至運(yùn)算放大器，以形成基本的“構(gòu)建模塊”電路，例如反相、同相、電壓跟隨器、求和、差分、積分器和差分器放大器。

　　運(yùn)算放大器的介紹

　　運(yùn)算放大器是線性器件，具有幾乎理想的DC放大所需的所有特性，因此廣泛用于信號調(diào)理，濾波或執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。“理想”的運(yùn)算放大器是具有某些特殊特性的設(shè)備，例如無限開環(huán)增益AO，無限輸入電阻RIN，零輸出電阻ROUT，無限帶寬0至∞和零偏移。

　　運(yùn)算放大器采用單個(gè)器件內(nèi)的單雙或四運(yùn)算放大器的IC封裝。普通運(yùn)算放大器中最常用和使用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)μA-741。

　　在標(biāo)準(zhǔn)配置或內(nèi)部結(jié)型FET晶體管中，有大量的運(yùn)算放大器IC可滿足各種可能的應(yīng)用，包括標(biāo)準(zhǔn)雙極、精密、高速、低噪聲、高壓等各種應(yīng)用。

　　運(yùn)算放大器，從根本上是一個(gè)電壓放大裝置設(shè)計(jì)成與外部反饋組件，諸如其輸出和輸入端子之間的電阻器和電容器被使用。這些反饋分量決定了放大器的最終功能或“操作”，并且借助電阻、電容或兩者的不同反饋配置，放大器可以執(zhí)行各種不同的操作，因此得名“運(yùn)算放大器”。

　　一個(gè)運(yùn)算放大器基本上是它由兩個(gè)高阻抗輸入的三端子裝置。輸入之一稱為反相輸入，標(biāo)有負(fù)號或“-”號。另一個(gè)輸入被稱為同相輸入，標(biāo)有正或“+”號。

　　第三個(gè)端子代表運(yùn)算放大器的輸出端口，它既可以吸收也可以提供電壓或電流。在線性運(yùn)算放大器中，輸出信號是放大系數(shù)，稱為放大器增益（A）乘以輸入信號的值，并且根據(jù)這些輸入和輸出信號的性質(zhì)，可以有四種不同的運(yùn)算類別。放大器增益。

　　電壓：電壓“輸入”和電壓“輸出”；

　　當(dāng)前：當(dāng)前“輸入”和當(dāng)前“輸出”；

　　跨導(dǎo)：電壓“輸入”和電流“輸出”；

　　跨阻：電流“輸入”和電壓“輸出”。

　　由于涉及運(yùn)算放大器的大多數(shù)電路都是電壓放大器，因此我們將本節(jié)中的教程僅限于電壓放大器（Vin和Vout）。

　　運(yùn)算放大器的輸出電壓信號是施加到其兩個(gè)單獨(dú)輸入的信號之間的差。換句話說，運(yùn)算放大器的輸出信號是兩個(gè)輸入信號之間的差，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入級實(shí)際上是一個(gè)差分放大器，如下所示。

　　差動(dòng)放大器

　　下面的電路顯示了差分放大器的一般形式，其中兩個(gè)輸入標(biāo)記為V1和V2。兩個(gè)相同的晶體管TR1和TR2都在相同的工作點(diǎn)偏置，其發(fā)射極連接在一起，并通過電阻Re返回到共軌-Vee。

　　該電路采用雙電源+Vcc和-Vee供電，以確保恒定電源。放大器的輸出端Vout上出現(xiàn)的電壓是兩個(gè)輸入信號之間的差，因?yàn)閮蓚€(gè)基極輸入彼此反相。

　　因此，隨著晶體管TR1的正向偏置增大，晶體管TR2的正向偏置減小，反之亦然。然后，如果兩個(gè)晶體管完全匹配，則流過公共發(fā)射極電阻Re的電流將保持恒定。

　　像輸入信號一樣，輸出信號也是平衡的，并且由于集電極電壓沿相反方向（反相）或沿相同方向（同相）擺動(dòng)，因此從兩個(gè)集電極之間獲取的輸出電壓信號為一個(gè)完美平衡的電路，兩個(gè)集電極電壓之間的零差。

　　這被稱為共模操作，當(dāng)輸入為零時(shí)，放大器的共模增益為輸出增益。

　　運(yùn)算放大器還具有一個(gè)低阻抗的輸出（盡管有一個(gè)輸出帶有一個(gè)額外的差分輸出），該輸出以一個(gè)公共接地端為參考，并且它應(yīng)忽略任何共模信號，也就是說，如果將同一個(gè)信號同時(shí)應(yīng)用于反相和反相，則運(yùn)算放大器應(yīng)該忽略任何共模信號。同相輸入，輸出應(yīng)保持不變。

　　但是，在實(shí)際放大器中，總會(huì)有一些變化，并且相對于共模輸入電壓的變化，輸出電壓的變化比簡稱為共模抑制比或CMRR。

　　運(yùn)算放大器本身具有很高的開環(huán)直流增益，通過施加某種形式的負(fù)反饋，我們可以生產(chǎn)出一種運(yùn)算放大器電路，其電路具有非常精確的增益特性，該特性僅取決于所使用的反饋。注意，術(shù)語“開環(huán)”意味著在放大器周圍沒有使用反饋組件，因此反饋路徑或環(huán)路是開路的。

　　運(yùn)算放大器僅響應(yīng)其兩個(gè)輸入端子上的電壓差（通常稱為“差分輸入電壓”），而不響應(yīng)其公共電位。然后，如果將相同的電勢施加到兩個(gè)端子，則最終輸出將為零。運(yùn)算放大器的增益通常稱為開環(huán)差分增益，并賦予符號（Ao）。

　　理想運(yùn)算放大器的等效電路

　　運(yùn)算放大器參數(shù)和理想特性

　　開環(huán)增益（Avo）：運(yùn)算放大器的主要功能是放大輸入信號，開環(huán)增益越大越好。開環(huán)增益是沒有正反饋或負(fù)反饋的運(yùn)算放大器的增益，對于這樣的放大器，增益將是無限的，但典型的實(shí)際值范圍約為20000至200000。

　　輸入阻抗（ZIN）：輸入阻抗是輸入電壓與輸入電流的比率，假定為無限，以防止任何電流從源電源流入放大器的輸入電路（IIN=0）。實(shí)際運(yùn)算放大器的輸入泄漏電流從幾微微安至幾毫安。

　　輸出阻抗（ZOUT）：理想的運(yùn)算放大器的輸出阻抗假定為零，可以用作沒有內(nèi)部電阻的理想內(nèi)部電壓源，因此它可以向負(fù)載提供所需的電流。該內(nèi)部電阻有效地與負(fù)載串聯(lián)，從而降低了負(fù)載可用的輸出電壓。實(shí)際運(yùn)算放大器的輸出阻抗為100-20kΩ。

　　帶寬（BW）：理想的運(yùn)算放大器具有無限的頻率響應(yīng)，并且可以將任何頻率信號從DC放大到最高AC頻率，因此可以假定它具有無限的帶寬。對于實(shí)際的運(yùn)算放大器，帶寬受增益帶寬乘積（GB）的限制，該乘積等于放大器增益變?yōu)閱挝坏念l率。

　　失調(diào)電壓（VIO）：當(dāng)反相輸入和同相輸入之間的電壓差為零，相同或兩個(gè)輸入都接地時(shí)，放大器的輸出將為零。實(shí)際運(yùn)算放大器具有一定的輸出失調(diào)電壓。

　　從上面的這些“理想化”特性，我們可以看到輸入電阻是無限的，因此沒有電流流入任何一個(gè)輸入端子（“電流規(guī)則”），并且差分輸入失調(diào)電壓為零（“電壓規(guī)則”）。重要的是要記住這兩個(gè)屬性，因?yàn)樗鼈儗椭覀兞私膺\(yùn)算放大器在運(yùn)算放大器電路的分析和設(shè)計(jì)方面的工作原理。

　　但是，實(shí)際的運(yùn)算放大器（例如，通用的uA741）不具有無限的增益或帶寬，而具有典型的“開環(huán)增益”，其定義為放大器在不連接任何外部反饋信號的情況下輸出放大信號，對于典型的運(yùn)算放大器在DC（0Hz）時(shí)約為100dB。該輸出增益在大約1MHz處隨頻率下降到“單位增益”或1呈線性下降，這在下面的開環(huán)增益響應(yīng)曲線中顯示。

　　開環(huán)頻率響應(yīng)曲線

　　從該頻率響應(yīng)曲線可以看出，增益與頻率的乘積在曲線的任何一點(diǎn)都是恒定的。同樣，單位增益（0dB）頻率也決定了曲線上任何一點(diǎn)的放大器增益。該常數(shù)通常稱為增益帶寬積或GBP。因此：

　　GBP=收益x帶寬=AxBW

　　例如，從上方的圖表中，放大器在100kHz的增益為20dB或10，則增益帶寬乘積的計(jì)算公式為：

　　GBP=AxBW=10x100，000Hz=1000000。

　　同樣，運(yùn)算放大器的增益為1kHz=60dB或1000，因此GBP為：

　　GBP=AxBW=1000x1000Hz=1000000，兩者相同。

　　運(yùn)算放大器的電壓增益（AV）可使用以下公式：

　　放大倍數(shù)（dB）被給定為：

　　運(yùn)算放大器的帶寬

　　運(yùn)算放大器的帶寬是該放大器的電壓增益高于其最大輸出值的70.7％或-3dB（其中0dB為最大值）的頻率范圍，如下所示。

　　這里我們以40dB線路為例。頻率響應(yīng)曲線的-3dB或Vmax下降點(diǎn)的70.7％為37dB。穿過一條線直到它與主要GBP曲線相交，可以在12kHz至15kHz處獲得一個(gè)略高于10kHz線的頻率點(diǎn)?，F(xiàn)在，我們已經(jīng)知道放大器的GBP，在這種情況下為1MHz，因此我們可以更精確地計(jì)算出該值。

　　運(yùn)算放大器示例：

　　使用公式20log（A），我們可以將放大器的帶寬計(jì)算為：

　　37=20log（A）因此，A=反對數(shù)（37÷20）=70.8

　　GBP÷A=帶寬，因此1000000÷70.8=14，124Hz或14kHz

　　然后，如先前從該圖所預(yù)測的，放大器在40dB增益處的帶寬為14kHz。

　　如果在上述頻率響應(yīng)曲線中將運(yùn)算放大器的增益降低一半，例如20dB，則-3dB點(diǎn)將變?yōu)?7dB。然后，這將使運(yùn)算放大器的整體增益為7.08，因此A=7.08。

　　如果我們使用與上述相同的公式，那么這個(gè)新增益將為我們提供大約141.2kHz的帶寬，比40dB點(diǎn)處給出的頻率高十倍。因此，可以看出，通過降低運(yùn)算放大器的整體“開環(huán)增益”，帶寬會(huì)增加，反之亦然。

　　換句話說，運(yùn)算放大器的帶寬與其增益（A1/∞BW）成反比。此外，由于放大器的輸出功率為其最大值的一半，因此，該-3dB拐角頻率點(diǎn)通常稱為“半功率點(diǎn)”，如下所示：

　　以上就是英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師分享的運(yùn)算放大器基礎(chǔ)知識的原理和特性。英銳恩專注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)與開發(fā)，提供8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)、運(yùn)算放大器和模擬開關(guān)。