運(yùn)算放大器介紹及其工作原理

介紹 & 簡(jiǎn)介

運(yùn)算放大器 通常稱之為" 運(yùn)放 "，運(yùn)算放大器 是一個(gè)非常神奇的東西。因?yàn)?，它可以將輸入端的電壓放大?shù)以萬倍。具體理論的放大倍數(shù)是：十萬倍~百萬倍。那么之所以叫做是運(yùn)算放大器是因?yàn)樽铋_始的時(shí)候，它主要適用于：加法、減法、微分、積分 這些模擬運(yùn)算電路當(dāng)中。所以稱它為運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器是一個(gè)內(nèi)含多級(jí)放大電路的電子集成電路(集成器件)，其輸入級(jí)是差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點(diǎn)漂移能力;中間級(jí)主要進(jìn)行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù)，一般由共射極放大電路構(gòu)成;輸出極與負(fù)載相連，具有帶載能力強(qiáng)、低輸出電阻特點(diǎn)。運(yùn)算放大器的應(yīng)用非常廣泛。

拓展 差分放大：差分放大電路又稱為 差動(dòng)放大電路，當(dāng)該電路的兩個(gè)輸入端的電壓有差別時(shí)，輸出電壓才有變動(dòng)，因此稱為差動(dòng)。差分放大電路是由靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定(實(shí)際作用就是控制電壓和電流的靜態(tài)值)的放大電路演變而來的，差分放大器單單是輸入就用到了很多的元器件，這些元件共同組成了差分放大器。這樣就可以使得你輸入的阻抗很高還有就是使得電路的抗干擾能力變強(qiáng)，它的阻抗是可以看做是無窮大，也就是這一部分我們是可以等效成一個(gè)無窮大的一個(gè)電阻。好處：這樣的設(shè)計(jì)好處是不影響輸入的信號(hào)。

運(yùn)算放大器工作原理

運(yùn)算放大器是具有三個(gè)信號(hào)輸入端子和兩個(gè)電源端子的器件，在運(yùn)算放大器當(dāng)中有 兩個(gè)輸入端 和 一個(gè)輸出端。運(yùn)算放大器還有兩個(gè)端子，用于器件供電。如下圖所示：

?

電流永遠(yuǎn)不會(huì)流入或者流出輸入端，電流可以流入和流出輸出端。

從輸出端流出或流出的電流，由運(yùn)放的供電端提供。

運(yùn)算放大器把用"+"的值輸入的電壓值，從"-"輸入端的電壓相減。運(yùn)算放大器會(huì)在兩個(gè)輸入電壓取這個(gè)差值。并且將它乘以一個(gè)非常大的數(shù)字，得到一個(gè)結(jié)果。也就是在課本當(dāng)中的時(shí)候：輸出端電壓等于兩個(gè)輸入端的電壓之差乘機(jī)一個(gè)很大的系數(shù)K。

?

比如：正端是0.5V，負(fù)端是0.3V的話。那么就是 (0.5 - 0.3) x 100000 = 20000V

當(dāng)然，我們?cè)趯?shí)際電路當(dāng)中是不可能輸出端輸出 20000V的，這個(gè)時(shí)候假設(shè)中間兩端的電源線，假設(shè)正電源端 10V，那么它的實(shí)際輸出電壓也就是 10V。進(jìn)入飽和狀態(tài)。那么都會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)的話，我們?cè)撛趺崔k畢竟運(yùn)放也不會(huì)怎么用的。

電壓跟隨器

把輸出端和負(fù)極進(jìn)行連接起來，假設(shè)我們的輸出是0.6V。那么經(jīng)過一輪的循環(huán)，輸出端就會(huì)往下降。Vo = 0.5V

?

假設(shè)輸出端是 0.4V 的話，一輪的循環(huán)之后，輸出端又會(huì)往上提升。

?

使得最后Vo輸出值會(huì)無限接近正極輸入端Vp的值。在這里就是 0.5V。所以此時(shí) Vp=Vo=Vn。以上所說的就是電壓跟隨器的基礎(chǔ)模型。

兩個(gè)特性

對(duì)于電壓較大的電路可以用這個(gè)模型。 穩(wěn)定輸出我們想要的電壓值。注意：輸出(Vo)和輸入(Vn)是不會(huì)銷毀的，原因是運(yùn)放的阻抗輸入端，阻抗是無窮大的，大到我們電流根本就輸入不進(jìn)去。這就是運(yùn)放的特性 虛斷。于是：運(yùn)放是具有隔離的作用的，避免電路的燒毀。

而輸入端Vp 和 Vn 的電壓是相等的，也就意味著它會(huì)產(chǎn)生短路，短路就是幾乎沒有電壓了。但是，運(yùn)放依舊能正常的運(yùn)行，這就是運(yùn)放的第二個(gè)特性 虛短。注意：虛短的應(yīng)用是必須要在負(fù)反饋情況下才能夠使用。

定義：將一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)的一部分或全部以一定方式和路徑送回到系統(tǒng)的輸入端作為輸入信號(hào)的一部分，這個(gè)作用過程叫——反饋。按反饋的信號(hào)極性分類，反饋可分為正反饋和負(fù)反饋。

那么根據(jù)上面的特性，我們就可以知道：Vo(輸出) = Vp x (1+R2/R1)

拓展知識(shí)

再來介紹下最常用的幾種運(yùn)放知識(shí)點(diǎn)：(來自百度百科)

常用的廉價(jià)運(yùn)算放大器有LM324/358。常用的高輸入阻抗(阻抗值很高通常)運(yùn)算放大器有CA3140、TL072。常用的高速運(yùn)算放大器有AD8052、OP37和LM4562。若是用于高保真音響，這里推薦你用LM4562，其工作電壓范圍寬，精度高!(同時(shí)這類價(jià)格也會(huì)更貴通常)

LM4562是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司近年推出的高保真雙運(yùn)放，其失真超小，僅有0.00003%的總諧波失真及噪聲(THD+N)，換言之，這款運(yùn)算放大器的失真幾乎可以忽略不計(jì)。

LM4562芯片具有極低失真率、低噪聲、高轉(zhuǎn)換速率、很寬的工作電壓范圍以及較大輸出電流等優(yōu)點(diǎn)，性能之高是前所未有的。由于這款運(yùn)算放大器具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此適用于專業(yè)級(jí)及高端的音頻系統(tǒng)，如音像系統(tǒng)接收器、前置放大器、音頻解碼器和高保真功放以及各種醫(yī)療成像系統(tǒng)及工業(yè)設(shè)備。

LM4562芯片的設(shè)計(jì)非常獨(dú)特，不但內(nèi)置高速的6MHz單位增益帶寬運(yùn)算放大器，而且另外還加設(shè)了一個(gè)專有的立體聲音頻驅(qū)動(dòng)放大器。標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下，這款運(yùn)算放大器的輸入噪聲密度低至2.7nV/√Hz，中頻的噪聲轉(zhuǎn)角 (noise corner) 達(dá)60Hz，輸出電流達(dá)26mA，可驅(qū)動(dòng)600Ω的負(fù)載。LM4562芯片的轉(zhuǎn)換速率達(dá)20V/μs，增益帶寬積高達(dá)55MHz。LM4562芯片可以在±2.5V至±17V之間的供電電壓范圍內(nèi)保持工作穩(wěn)定，最大輸出電流高達(dá)45mA。該款芯片在上述的供電電壓范圍內(nèi)操作時(shí)，其輸入電路的共模抑制比(CMRR)及電源抑制比(PSRR)都高達(dá)108dB以上，而輸入偏置電流則低至10μA(典型值)。