運算放大器內(nèi)部構(gòu)造及原理圖解

一、運算放大器內(nèi)部構(gòu)造

集成運算放大器（以后簡稱集成運放）是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，下圖所示為集成運放的內(nèi)部電路組成框圖。

圖中輸入級一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差動放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能，它的兩個輸人端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成。

輸出級一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器構(gòu)成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)。如電平移動電路，過載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償電路等。

圖常規(guī)運放符號與創(chuàng)意原理符號

從常規(guī)運放符號看，除了輸入、輸出3個端子，正常工作時還需供電兩個端子，這樣一來，運放電路其實是個五端元件了。輸入端+、－的標(biāo)記是依據(jù)兩輸入端與OUT端相互影響的電壓變化趨勢來規(guī)定的，若令I(lǐng)N+端接地（或施加固定不變之電壓），信號從IN-端進(jìn)入，輸入電壓升高時，輸出電壓是降低的，呈反相關(guān)系，則為反相放大器；反之，當(dāng)信號從IN+端進(jìn)入，輸入電壓與輸出電壓變化則是同步的，則為同相放大器。

將三角形內(nèi)部的輸出級搬出來，即成為圖中的b電路了。運放電路的典型供電電壓為±15V，其輸出級電路為NPN和PNP三極管構(gòu)成的電壓互補(bǔ)式放大器，Q1的c極接+15V，Q2的c極接－15V。±15V電源的公共地（+15V電源的負(fù)端）即為信號地（即0V基準(zhǔn)），此后所指輸入電壓、輸出電壓的高低，均指針對信號地而言。為了圖面簡潔，將前級電路的供電省略掉。以下原理分析即據(jù)b圖而為之。

我們先來從比較特性來出發(fā)，規(guī)定輸入端IN+、IN-與輸出級Q1、Q2的對應(yīng)關(guān)系：

IN+對應(yīng)Q1，當(dāng)IN+》IN-時，Q1導(dǎo)通，使OUT輸出電壓往+15V上靠攏；

IN－對應(yīng)Q2，當(dāng)IN－》IN+時，Q2導(dǎo)通，使OUT輸出電壓往－15V上靠攏。

當(dāng)運放電路處于開環(huán)狀態(tài)時，因其放大倍數(shù)無窮大之故，只要IN－和IN+之間略有電位差，其輸出電壓即要么接近+15V，要么接近-15V。輸出只有高、低電平，而無其它結(jié)果，這說明開環(huán)時，運放變身為比較器身份，而出離放大器區(qū)域了。

二、運算放大器原理圖解

1.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖一

圖一運算放大器的同向端接地=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.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖二

圖二中Vi與V-虛短，則Vi=V-……a因為虛斷，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.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖三

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)閂out=V1+V2，這就是傳說中的加法器了。

4.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖四

因為虛斷，運算放大器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也是一個加法器，呵呵！

5.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖五

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.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖六

圖六電路中，由運算放大器的虛短知，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時間的積分成正比，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是時間，則Vout輸出電壓是一條從0至負(fù)電源電壓按時間變化的直線。

7.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖七

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，運算放大器同向端與反向端電壓是相等的。則：Vout=-i*R2=-（R2*C1）dV1/dt這是一個微分電路。如果V1是一個突然加入的直流電壓，則輸出Vout對應(yīng)一個方向與V1相反的脈沖。

8.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖八

由虛短知Vx=V1……aVy=V2……b由虛斷知，運算放大器輸入端沒有電流流過，則R1、R2、R3可視為串聯(lián)，通過每一個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)。這個電路就是傳說中的差分放大電路了。

9.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖九

很多控制器接受來自各種檢測儀表的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，圖九就是這樣一個典型電路。如圖4~20mA電流流過采樣100Ω電阻R1，在R1上會產(chǎn)生0.4~2V的電壓差。由虛斷知，運算放大器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。

10.運算放大器工作原理經(jīng)典電路圖十

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，運算放大器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=V

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。

運放對于硬件工程師來說是必備技能之一。如果你對運放的閉環(huán)特性、零點、濾波電路、信號發(fā)生電路、處理電流信號和電壓信號的電路以及Buck電路沒有理解清楚，對運放的使用來說，總會有種云里霧里的感覺，為什么這里有個電容？為什么這里要有一組RC？運放輸出為什么會有振鈴甚至振蕩？如果你有這樣的疑問，那你可以了解《模電技術(shù)：5部運放典型應(yīng)用電路教程，帶你吃透運放設(shè)計》眾籌課程。

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本課程主要分為兩大部分，第一部分為對運放電路的分析基礎(chǔ)，以運放的負(fù)反饋為切入點，對運放的閉環(huán)特性、零點、極點和補(bǔ)償進(jìn)行著重的講解。第二部分則對多種多樣的以運放為主的電路進(jìn)行分析及講解，例如濾波電路、信號發(fā)生電路、電流檢測電路、恒流電路、小信號放大電路及其它多樣化的電路等。這些都會讓我們更好地理解及鞏固我們所學(xué)的內(nèi)容。

課程包含的視頻內(nèi)容：

第1部《運放應(yīng)用電路基礎(chǔ)：開環(huán)、閉環(huán)、反饋和零極點》視頻教程

第2部《運放典型應(yīng)用電路（一）：濾波電路和信號發(fā)生電路》視頻教程

第3部《運放典型應(yīng)用電路（二）：處理電流信號的電路》視頻教程

第4部《運放典型應(yīng)用電路（三）：處理電壓信號的電路》視頻教程

第5部《運放典型應(yīng)用電路（四）：綜合應(yīng)用Buck電路》視頻教程

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2、掌握運放典型應(yīng)用電路——濾波電路：RC和RCL電路、低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波。

3、掌握運放典型應(yīng)用電路——信號發(fā)生電路：正弦波、方波、三角波、鋸齒波、無源晶振振蕩電路。

4、掌握運放典型應(yīng)用電路——處理電流信號的電路：低邊高邊電流檢測、4-20mA電流轉(zhuǎn)電壓、電流源、光電二極管I/V轉(zhuǎn)換、延申內(nèi)容：對數(shù)電路。

5、掌握運放電路典型應(yīng)用——處理電壓信號的電路：串聯(lián)穩(wěn)壓、串聯(lián)穩(wěn)壓、電壓轉(zhuǎn)4-20ma電流、整流電路、絕對值電路、電壓保持電路、高壓電路、NTC放大電路、PT100放大電路、熱電偶放大電路。

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