運(yùn)算放大器按參數(shù)的分類及工作原理圖詳解

調(diào)節(jié)和放大模擬信號(hào)，它是用途十分廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器濾波器的供應(yīng)商、振蕩器振蕩器的供應(yīng)商及電壓比較器比較器 的供應(yīng)商。其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)延伸到汽車電子、通信、消費(fèi)等各個(gè)領(lǐng)域，并將在未來(lái)技術(shù)方面扮演重要角色。

運(yùn)算放大器的分類

運(yùn)算放大器按參數(shù)可分為如下幾類：

通用型運(yùn)算放大器：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。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。高阻型運(yùn)算放大器：特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid＞1GΩ~1TΩ,IB為幾皮安到幾十皮安。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)。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。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。可編程控制運(yùn)算放大器：在儀器儀表得使用過程中都會(huì)涉及到量程得問題.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)。運(yùn)算放大器的工作原理運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，如圖1-1所示，其中標(biāo)有“+”號(hào)的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端)，另一只標(biāo)有“一”號(hào)的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負(fù)端，如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信號(hào)，則在輸出端會(huì)得到電壓相同但極性相反的輸出信號(hào)：輸出端輸出的信號(hào)與同相輸人端的信號(hào)同相，而與反相輸入端的信號(hào)反相。

運(yùn)算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖1-2所示。運(yùn)算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨(dú)特的用途，總的來(lái)說，這些特性可以綜合為兩條：1、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大。2、運(yùn)算放大器的輸入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零。

現(xiàn)在我們來(lái)簡(jiǎn)單地看看由于上面的兩個(gè)特性可以得到一些什么樣的結(jié)論。首先，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會(huì)有與正的或負(fù)的電源一樣高的輸出電壓本來(lái)應(yīng)該是無(wú)窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。準(zhǔn)確地說，如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高，哪怕只高極小的一點(diǎn)，運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與正電源電壓相同的電壓;反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運(yùn)算放大器的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與負(fù)電源電壓相同的電壓(如果運(yùn)算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零)。其次，由于放大倍數(shù)為無(wú)窮大，所以不能將運(yùn)算放大器直接用來(lái)做放大器用，必須要將輸出的信號(hào)反饋到反相輸入端(稱為負(fù)反饋)來(lái)降低它的放大倍數(shù)。如圖1-3中左圖所示，R1的作用就是將輸出的信號(hào)返回到運(yùn)算放大器的反相輸入端，由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的，所以會(huì)減小電路的放大倍數(shù)，是一個(gè)負(fù)反饋電路，電阻Rf也叫做負(fù)反饋電阻。

還有，由于運(yùn)算放大器的輸入為無(wú)窮大，所以運(yùn)算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣，如果我們想象在運(yùn)算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無(wú)窮大的電阻，那么加在這個(gè)電阻兩端的電壓是不能形成電流的，沒有電流，根據(jù)歐姆定律，電阻兩端就不會(huì)有電壓，所以我們又可以認(rèn)為在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸人端電壓是相同的(電壓在這種情況就有點(diǎn)像用導(dǎo)線將兩個(gè)輸入端短路，所以我們又將這種現(xiàn)象叫做“虛短”)。常用運(yùn)算放大器電路

1、InverterAmp.反相位放大電路:

放大倍數(shù)為Av=R2/R1但是需考慮規(guī)格之Gain-Bandwidth數(shù)值。R3=R4提供1/2電源偏壓C3為電源去耦合濾波C1,C2輸入及輸出端隔直流此時(shí)輸出端信號(hào)相位與輸入端相反2、Non-inverterAmp.同相位放大電路:

放大倍數(shù)為Av=R2/R1R3=R4提供1/2電源偏壓C1,C2,C3為隔直流此時(shí)輸出端信號(hào)相位與輸入端相同3、Voltagefollower緩沖放大電路:

O/P輸出端電位與I/P輸入端電位相同單雙電源皆可工作4、Comparator比較器電路:

I/P電壓高于Ref時(shí)O/P輸出端為Logic低電位I/P電壓低于Ref時(shí)O/P輸出端為L(zhǎng)ogic高電位R2=100*R1用以消除Hysteresis狀態(tài),即為強(qiáng)化O/P輸出端,Logic高低電位差距，以提高比較器的靈敏度.(R1=10K,R2=1M)單雙電源皆可工作5、Square-waveoscillator方塊波震蕩電路:

R2=R3=R4=100KR1=100K,C1=0.01uFFreq=1/（2π*R1*C1）6、Pulsegenerator脈波產(chǎn)生器電路:

R2=R3=R4=100K

R1=30K,C1=0.01uF,R5=150KO/P輸出端OnCycle=1/（2π*R5*C1）O/P輸出端OffCycle=1/（2π*R1*C1）7、Activelow-passfilter主動(dòng)低通濾波器電路:

R1=R2=16KR3=R4=100KC1=C2=0.01uF放大倍數(shù)Av=R4/(R3+R4)Freq=1KHz8、Activeband-passfilter主動(dòng)帶通濾波器電路:

R7=R8=100K,C3=10uFR1=R2=390K,C1=C2=0.01uFR3=620,R4=620KFreq=1KHz,Q=259、High-passfilter高通濾波器電路:

C1=2*C2=0.02uF,C2=0.01uFR1=R2=110K6dBLow-cutFreq=100Hz10、Adj.Q-notchfilter頻寬可調(diào)型濾波器電路:

R1=R2=2*R3C1=C2=C3/2Freq=1/（2π*R1*C1)VR1調(diào)整負(fù)回授量,越大則Q值越低。（表示頻帶變寬，但是衰減值相對(duì)減少。）R1,R2,R3,C1,C2,C3為Twin-Tfilter結(jié)構(gòu)。11、Wien-bridgeSine-waveOscillator文橋正弦波震蕩電路:

R1=R2,C1=C2R3與D1,D2Zener產(chǎn)生定點(diǎn)壓負(fù)回授Freq=1/（2π*R1*C1)D1與D2可使用Lamp效果更佳（產(chǎn)生阻抗負(fù)變化系數(shù)）12、Peakdetector峰值檢知器電路:(范例均為正峰值檢知)

本電路僅提供思維參考用(右方電路具放大功能)Eo=Ei*(R4+R3)/R3S1為連續(xù)取樣開關(guān)，因應(yīng)峰值不斷的變化。13、Positive-peakdetector正峰值檢知器電路:

R1=1K,R2=1M,C1=10uF只有在I/P電位高于OP-端電位時(shí),才能使Q1導(dǎo)通,O/P電位繼續(xù)升高.正峰值必須低于電源正值，所得數(shù)據(jù)為最高值。14、Negative-peakdetector負(fù)峰值檢知器電路:

R1=1M,C1=10uF只有在I/P電位低于OP-端電位時(shí),O/P電位繼續(xù)降低.負(fù)峰值必須高于電源負(fù)值，所得數(shù)據(jù)為最高值。15、RMS(Absolutevalue)detector絕對(duì)值檢知器電路:

不論I/P端極性為何,皆可由O/P端輸出,若后端再接上正峰值檢知器電路,即可取得RMS數(shù)值.

經(jīng)典運(yùn)放電路分析從虛斷，虛短分析基本運(yùn)放電路運(yùn)算放大器組成的電路五花八門，令人眼花瞭亂，是模擬電路中學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。在分析它的工作原理時(shí)倘沒有抓住核心，往往令人頭大。為此本人特搜羅天下運(yùn)放電路之應(yīng)用，來(lái)個(gè)“庖丁解牛”，希望各位看完后有所斬獲。遍觀所有模擬電子技朮的書籍和課程，在介紹運(yùn)算放大器電路的時(shí)候，無(wú)非是先給電路來(lái)個(gè)定性，比如這是一個(gè)同向放大器，然后去推導(dǎo)它的輸出與輸入的關(guān)系，然后得出Vo=(1+Rf)Vi，那是一個(gè)反向放大器，然后得出Vo=-Rf*Vi……最后學(xué)生往往得出這樣一個(gè)印象：記住公式就可以了！如果我們將電路稍稍變換一下，他們就找不著北了！今天，教各位戰(zhàn)無(wú)不勝的兩招，這兩招在所有運(yùn)放電路的教材里都寫得明白，就是“虛短”和“虛斷”，不過要把它運(yùn)用得出神入化，就要有較深厚的功底了。虛短和虛斷的概念由于運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，一般通用型運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80dB以上。而運(yùn)放的輸出電壓是有限的，一般在10V～14V。因此運(yùn)放的差模輸入電壓不足1mV，兩輸入端近似等電位，相當(dāng)于“短路”。開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等?！疤摱獭笔侵冈诜治鲞\(yùn)算放大器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等電位，這一特性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩輸入端真正短路。由于運(yùn)放的差模輸入電阻很大，一般通用型運(yùn)算放大器的輸入電阻都在1MΩ以上。因此流入運(yùn)放輸入端的電流往往不足1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。故通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開路，且輸入電阻越大，兩輸入端越接近開路?！疤摂唷笔侵冈诜治鲞\(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開路，這一特性稱為虛假開路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。在分析運(yùn)放電路工作原理時(shí)，首先請(qǐng)各位暫時(shí)忘掉什么同向放大、反向放大，什么加法器、減法器，什么差動(dòng)輸入……暫時(shí)忘掉那些輸入輸出關(guān)系的公式……這些東東只會(huì)干擾你，讓你更糊涂﹔也請(qǐng)各位暫時(shí)不要理會(huì)輸入偏置電流、共模抑制比、失調(diào)電壓等電路參數(shù)，這是設(shè)計(jì)者要考慮的事情。我們理解的就是理想放大器（其實(shí)在維修中和大多數(shù)設(shè)計(jì)過程中，把實(shí)際放大器當(dāng)做理想放大器來(lái)分析也不會(huì)有問題）。好了，讓我們抓過兩把“板斧”------“虛短”和“虛斷”，開始“庖丁解?！绷?。1）反向放大器：

圖一運(yùn)放的同向端接地=0V，反向端和同向端虛短，所以也是0V，反向輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那么R1和R2相當(dāng)于是串聯(lián)的，流過一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。

流過R1的電流：I1=(Vi-V-)/R1………a流過R2的電流：I2=(V--Vout)/R2……bV-=V+=0………………cI1=I2……………………d求解上面的初中代數(shù)方程得Vout=(-R2/R1)*Vi這就是傳說中的反向放大器的輸入輸出關(guān)系式了。2）同向放大器

圖二中Vi與V-虛短，則Vi=V-……a因?yàn)樘摂?，反向輸入端沒有電流輸入輸出，通過R1和R2的電流相等，設(shè)此電流為I，由歐姆定律得：I=Vout/(R1+R2)……bVi等于R2上的分壓，即：Vi=I*R2……c由abc式得Vout=Vi*(R1+R2)/R2這就是傳說中的同向放大器的公式了。3）加法器1：

圖三中，由虛短知：V-=V+=0……a由虛斷及基爾霍夫定律知，通過R2與R1的電流之和等于通過R3的電流，故(V1–V-)/R1+(V2–V-)/R2=(V-–Vout)/R3……b代入a式，b式變?yōu)閂1/R1+V2/R2=Vout/R3如果取R1=R2=R3，則上式變?yōu)?Vout=V1+V2，這就是傳說中的加法器了。4）加法器2：

請(qǐng)看圖四。因?yàn)樘摂啵\(yùn)放同向端沒有電流流過，則流過R1和R2的電流相等，同理流過R4和R3的電流也相等。故(V1–V+)/R1=(V+-V2)/R2……a(Vout–V-)/R3=V-/R4……b由虛短知：V+=V-……c如果R1=R2，R3=R4，則由以上式子可以推導(dǎo)出V+=(V1+V2)/2V-=Vout/2故Vout=V1+V2也是一個(gè)加法器，呵呵！5）減法器

圖五由虛斷知，通過R1的電流等于通過R2的電流，同理通過R4的電流等于R3的電流，故有(V2–V+)/R1=V+/R2……a(V1–V-)/R4=(V--Vout)/R3……b如果R1=R2，則V+=V2/2……c如果R3=R4，則V-=(Vout+V1)/2……d由虛短知V+=V-……e所以Vout=V2-V1這就是傳說中的減法器了。6）積分電路：

圖六電路中，由虛短知，反向輸入端的電壓與同向端相等

由虛斷知，通過R1的電流與通過C1的電流相等。通過R1的電流i=V1/R1通過C1的電流i=C*dUc/dt=-C*dVout/dt所以Vout=((-1/(R1*C1))∫V1dt輸出電壓與輸入電壓對(duì)時(shí)間的積分成正比,這就是傳說中的積分電路了。若V1為恒定電壓U，則上式變換為Vout=-U*t/(R1*C1)t是時(shí)間，則Vout輸出電壓是一條從0至負(fù)電源電壓按時(shí)間變化的直線。7）微分電路：

圖七中由虛斷知，通過電容C1和電阻R2的電流是相等的，由虛短知，運(yùn)放同向端與反向端電壓是相等的。則：Vout=-i*R2=-(R2*C1)dV1/dt這是一個(gè)微分電路。如果V1是一個(gè)突然加入的直流電壓，則輸出Vout對(duì)應(yīng)一個(gè)方向與V1相反的脈沖。8）差分放大電路

由虛短知Vx=V1……aVy=V2……b由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒有電流流過，則R1、R2、R3可視為串聯(lián)，通過每一個(gè)電阻的電流是相同的，電流I=(Vx-Vy)/R2……c則：Vo1-Vo2=I*(R1+R2+R3)=(Vx-Vy)(R1+R2+R3)/R2……d由虛斷知，流過R6與流過R7的電流相等,若R6=R7，則Vw=Vo2/2……e同理若R4=R5，則Vout–Vu=Vu–Vo1，故Vu=(Vout+Vo1)/2……f由虛短知，Vu=Vw……g由efg得Vout=Vo2–Vo1……h(huán)由dh得Vout=(Vy–Vx)(R1+R2+R3)/R2上式中(R1+R2+R3)/R2是定值，此值確定了差值(Vy–Vx)的放大倍數(shù)。這個(gè)電路就是傳說中的差分放大電路了。9）電流檢測(cè)：

分析一個(gè)大家接觸得較多的電路。很多控制器接受來(lái)自各種檢測(cè)儀表的0~20mA或4~20mA電流，電路將此電流轉(zhuǎn)換成電壓后再送ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，圖九就是這樣一個(gè)典型電路。如圖4~20mA電流流過采樣100Ω電阻R1，在R1上會(huì)產(chǎn)生0.4~2V的電壓差。由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒有電流流過，則流過R3和R5的電流相等，流過R2和R4的電流相等。故：

(V2-Vy)/R3=Vy/R5……a(V1-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4……b由虛短知：Vx=Vy……c電流從0~20mA變化，則V1=V2+(0.4~2)……d由cd式代入b式得(V2+(0.4~2)-Vy)/R2=(Vy-Vout)/R4……e如果R3=R2，R4=R5，則由e-a得Vout=-(0.4~2)R4/R2……f圖九中R4/R2=22k/10k=2.2，則f式Vout=-(0.88~4.4)V，即是說，將4~20mA電流轉(zhuǎn)換成了-0.88~-4.4V電壓，此電壓可以送ADC去處理。注：若將圖九電流反接既得Vout=+(0.88~4.4)V，10）電壓電流轉(zhuǎn)換檢測(cè)：

電流可以轉(zhuǎn)換成電壓，電壓也可以轉(zhuǎn)換成電流。圖十就是這樣一個(gè)電路。上圖的負(fù)反饋沒有通過電阻直接反饋，而是串聯(lián)了三極管Q1的發(fā)射結(jié)，大家可不要以為是一個(gè)比較器就是了。只要是放大電路，虛短虛斷的規(guī)律仍然是符合的！由虛斷知，運(yùn)放輸入端沒有電流流過，則(Vi–V1)/R2=(V1–V4)/R6……a同理(V3–V2)/R5=V2/R4……b由虛短知V1=V2……c如果R2=R6，R4=R5，則由abc式得V3-V4=Vi上式說明R7兩端的電壓和輸入電壓Vi相等，則通過R7的電流I=Vi/R7，如果負(fù)載RL<<100KΩ，則通過Rl和通過R7的電流基本相同。?11）傳感器檢測(cè)：

來(lái)一個(gè)復(fù)雜的，呵呵！圖十一是一個(gè)三線制PT100前置放大電路。PT100傳感器引出三根材質(zhì)、線徑、長(zhǎng)度完全相同的線，接法如圖所示。有2V的電壓加在由R14、R20、R15、Z1、PT100及其線電阻組成的橋電路上。Z1、Z2、Z3、D11、D12、D83及各電容在電路中起濾波和保護(hù)作用，靜態(tài)分析時(shí)可不予理會(huì)，Z1、Z2、Z3可視為短路，D11、D12、D83及各電容可視為開路。由電阻分壓知，V3=2*R20/(R14+20)=200/1100=2/11……a由虛短知，U8B第6、7腳電壓和第5腳電壓相等V4=V3……b由虛斷知，U8A第2腳沒有電流流過，則流過R18和R19上的電流相等。(V2-V4)/R19=(V5-V2)/R18……c由虛斷知，U8A第3腳沒有電流流過，V1=V7……d在橋電路中R15和Z1、PT100及線電阻串聯(lián)，PT100與線電阻串聯(lián)分得的電壓通過電阻R17加至U8A的第3腳，V7=2*(Rx+2R0)/(R15+Rx+2R0)…..e由虛短知，U8A第3腳和第2腳電壓相等，V1=V2……f由abcdef得，(V5-V7)/100=(V7-V3)/2.2化簡(jiǎn)得V5=(102.2*V7-100V3)/2.2即V5=204.4(Rx+2R0)/(1000+Rx+2R0)–200/11……g上式輸出電壓V5是Rx的函數(shù)我們?cè)倏淳€電阻的影響。Pt100最下端線電阻上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)過中間的線電阻、Z2、R22，加至U8C的第10腳，由虛斷知，V5=V8=V9=2*R0/(R15+Rx+2R0)……a(V6-V10)/R25=V10/R26……b由虛短知，V10=V5……c由式abc得V6=(102.2/2.2)V5=204.4R0/[2.2(1000+Rx+2R0)]……h(huán)由式gh組成的方程組知，如果測(cè)出V5、V6的值，就可算出Rx及R0，知道Rx，查pt100分度表就知道溫度的大小了。運(yùn)放典型應(yīng)用電路及分析一覽圖