運(yùn)算放大器內(nèi)部構(gòu)造及原理圖解 - 全文

　　一、運(yùn)算放大器內(nèi)部構(gòu)造

　　集成運(yùn)算放大器（以后簡稱集成運(yùn)放）是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)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(yùn)放的內(nèi)部電路組成框圖。圖中輸入級(jí)一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差動(dòng)放大電路，利用它的對(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其他方面的性能，它的兩個(gè)輸人端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益，它可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成。輸出級(jí)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(jí)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(dòng)電路，過載保護(hù)電路以及高頻補(bǔ)償電路等。

　　圖常規(guī)運(yùn)放符號(hào)與創(chuàng)意原理符號(hào)

　　從常規(guī)運(yùn)放符號(hào)看，除了輸入、輸出3個(gè)端子，正常工作時(shí)還需供電兩個(gè)端子，這樣一來，運(yùn)放電路其實(shí)是個(gè)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(shì)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(hào)從IN-端進(jìn)入，輸入電壓升高時(shí)，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(hào)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(jí)搬出來，即成為圖中的b電路了。運(yùn)放電路的典型供電電壓為±15V，其輸出級(jí)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(hào)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(duì)信號(hào)地而言。為了圖面簡潔，將前級(jí)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(jí)Q1、Q2的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

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

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

　　當(dāng)運(yùn)放電路處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，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(shí)，運(yùn)放變身為比較器身份，而出離放大器區(qū)域了。

　　二、運(yùn)算放大器原理圖解

　　1.運(yùn)算放大器工作原理經(jīng)典電路圖一

　　圖一運(yùn)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(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.運(yùn)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?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.運(yùn)算放大器工作原理經(jīng)典電路圖三

　　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=（Vout–V-）/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(yùn)算放大器工作原理經(jīng)典電路圖四

　　請(qǐng)看圖四。因?yàn)樘摂啵\(yùn)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(gè)加法器，呵呵！

　　5.運(yùn)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(yùn)算放大器工作原理經(jīng)典電路圖六

　　圖六電路中，由運(yùn)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(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.運(yùn)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(yùn)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(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.運(yùn)算放大器工作原理經(jīng)典電路圖八

　　圖八。由虛短知Vx=V1……aVy=V2……b由虛斷知，運(yùn)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(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.運(yùn)算放大器工作原理經(jīng)典電路圖九

　　分析一個(gè)大家接觸得較多的電路。很多控制器接受來自各種檢測(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)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(yùn)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(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)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=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。