一文講透運(yùn)算放大器基礎(chǔ)

作為一名基帶硬件工程師，長期和數(shù)字信號打交道，大學(xué)的那點(diǎn)信號調(diào)理知識是不是早就還給老師了？在一些復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計中，我們總歸會碰到一些信號放大、濾波、采樣等問題，如果肚子里面沒點(diǎn)相關(guān)的墨水那肯定是不行的。

后續(xù)，我會陸續(xù)給大家分享運(yùn)算放大器相關(guān)的知識，希望給大家的設(shè)計帶來一些幫助，也給初學(xué)放大器的同學(xué)提供一定的指導(dǎo)。

文章部分參考楊建國老師的《你好，放大器》和《TI-信號鏈應(yīng)用》，有興趣的同學(xué)可以直接去拜讀，講得非常透徹。

01 定義

運(yùn)放全稱是運(yùn)算放大器，它是一個差分輸入、多級聯(lián)、直接耦合、高增益的單芯片集成電路，搭配一些阻容器件能實(shí)現(xiàn)不同功能的運(yùn)算電路，因而得名。運(yùn)放有兩個輸入端、一個或兩個輸出端、正負(fù)電源供電端。

02 理想運(yùn)放的特性

在做具體電路分析前，我們需要了解一下理想運(yùn)放的基本特性：

1）開環(huán)增益無窮大，隨便翻看一下運(yùn)放的datasheet，開環(huán)增益基本都在100dB以上了；

2）輸入阻抗無窮大，即沒有電流流進(jìn)運(yùn)放的輸入端；

3）輸出阻抗為0，實(shí)際運(yùn)放一般會有一個幾十~幾百歐姆的開環(huán)輸出阻抗。

在了解運(yùn)放上述的特性后，我們就要引出運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”概念了：

1）虛斷：因?yàn)檫\(yùn)放的輸入阻抗很大，我們可以認(rèn)為沒有電流流過，就像是開路一般，因此稱為“虛斷”。

2）虛短：在負(fù)反饋電路下，為了保證輸出穩(wěn)定，Uo=（U+ - U-）*Auo，我們可以認(rèn)為U+和U-無限接近，就像短路一樣，因此稱為“虛短”。

虛斷和虛短是分析所有運(yùn)放電路最基本、最核心的理論假設(shè)，大家一定要掌握。

03 負(fù)反饋

學(xué)過控制理論的同學(xué)都知道，一個開環(huán)系統(tǒng)是沒法穩(wěn)定工作的。就以運(yùn)放為例，運(yùn)放的開環(huán)增益基本都在100dB以上，輸入端稍微有點(diǎn)風(fēng)吹草動，輸出就爆了。因此運(yùn)算放大器電路都會引入負(fù)反饋才能正常工作。如下圖所示運(yùn)放電路，我們利用虛斷和虛短理論，可以很方便的計算輸入和輸出的關(guān)系。

根據(jù)虛短，Us=Ux；根據(jù)虛斷，Ux=Uo/(Rf+R2)*R2；因此，推導(dǎo)得到 Uo=Us*(1+Rf/R2)，是不是很簡單？

04 特殊功能放大器

? 理論上可以使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)任何運(yùn)算、放大的功能，但是受限一些電路的復(fù)雜度、外圍器件的精度等原因，自己搭建的特殊功能運(yùn)放電路性能并不出眾，因此器件廠家就會將這些常用的功能電路進(jìn)一步集成，這就產(chǎn)生了功能放大器。 1）儀表放大器 其特點(diǎn)是極高的輸入阻抗和極高的共模抑制比，因此特別適合作為傳感器等高精度、小信號調(diào)理電路的前級放大。

2）差動放大器

和標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放的區(qū)別，就是將外圍電阻集成到芯片中，激光校準(zhǔn)電阻保證了電路增益精度的同時，又使電路具有較高的共模抑制比，很適合作為ADC的前級驅(qū)動電路。

3）壓控增益放大器

可通過外部電壓Vg來連續(xù)控制放大器的增益，一般簡稱為VGA或VCA，有V/V線性和dB線性兩種，也有正控制和負(fù)控制兩種。一般在自動增益控制（AGC）系統(tǒng)中被普遍使用。

4）程控增益放大器

顧名思義，可以通過程序來控制放大器的增益，一般簡稱為PGA。主要用于被測信號幅度不定且變化較大的場景，需要根據(jù)ADC的采樣值去動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)，使ADC的采樣值在最佳范圍之內(nèi)。

特殊功能放大器還有很多，大家可以去TI、ADI等模擬IC的官網(wǎng)查看，根據(jù)自己的設(shè)計需求選用。如下截取TI官網(wǎng)放大器的分類。

以上就是本期分享的所有內(nèi)容啦，放大器很難，但也很有趣，小編在大學(xué)期間和放大器打交道比較多，工作之后就很少碰到放大器相關(guān)應(yīng)用了，但一直保留著對放大器的熱愛，也希望各位同學(xué)能在這里有所學(xué)習(xí)。歡迎大家持續(xù)關(guān)注

編輯：黃飛