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運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”)是模擬電路領(lǐng)域常用的電子元器件之一，屬于有源元件，具有多個(gè)端鈕，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的加減乘除、比例運(yùn)算、微分和積分等計(jì)算，也可以用來(lái)處理電信號(hào)，如比較和選擇信號(hào)的幅度。如今運(yùn)算放大器憑借其優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、各種測(cè)量裝置中，對(duì)電子科技的發(fā)展有著重要的意義。
一、運(yùn)算放大器的工作原理
運(yùn)算放大器有三個(gè)端口，其中有兩個(gè)輸入端口，分別為“+”和“-”，一個(gè)輸出端口。當(dāng)輸入信號(hào)從“-”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相；反之，當(dāng)輸入信號(hào)從“+”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；當(dāng)兩個(gè)輸入端口同時(shí)輸入信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減數(shù)運(yùn)算，輸出信號(hào)與較大的一方同相。所以說(shuō)，運(yùn)算放大器基本上可以說(shuō)是一個(gè)電壓放大器。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無(wú)限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。基本的運(yùn)算放大器電路如下圖所示：
通常使用運(yùn)算放大器時(shí)，會(huì)將其輸出端與其反相輸入端(inverting input node)連接，形成一負(fù)反饋(negative feedback)狀態(tài)。原因是運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬(wàn)倍不等，使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運(yùn)作。但是這并不代表運(yùn)算放大器不能連接成正回饋(positive feedback)，相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見(jiàn)的組成元件。
二、運(yùn)算放大器的常用電路
1、閉環(huán)負(fù)反饋
將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通?？梢詫㈦娐泛?jiǎn)單地稱為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn)，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。
反相閉環(huán)放大器如圖3。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地(virtual ground)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式為Vout=-(Rf/Rin)*Vin。
非反相閉環(huán)放大器如下圖。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式為Vout = ((R2/R1)+1)* Vin。
2、閉環(huán)正回饋
將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應(yīng)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的應(yīng)用中。
3、開(kāi)環(huán)電路
開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器如下圖。當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開(kāi)回路的方式工作時(shí)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式為Vout=(V+-V-)*Aog。
其中Aog代表運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路差動(dòng)增益(open-loop differential gai)由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動(dòng)訊號(hào)很小，仍然會(huì)讓輸出訊號(hào)「飽和」(saturation)，導(dǎo)致非線性的失真出現(xiàn)。因此運(yùn)算放大器很少以開(kāi)環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元的「0」與「1」。
三、運(yùn)算放大器的電氣參數(shù)解讀
1、輸入端
①輸入失調(diào)電壓 Vos
輸入失調(diào)電壓定義為集成運(yùn)算放大器輸出端電壓為零時(shí)，兩個(gè)輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電壓實(shí)際上反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對(duì)稱性，對(duì)稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。輸入失調(diào)電壓是運(yùn)放的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，特別是高精度運(yùn)算放大器或是用于直流放大時(shí)。運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓來(lái)源于運(yùn)放差分輸入級(jí)兩個(gè)管子的不匹配，因?yàn)槭芄に囁降南拗?，這個(gè)不匹配是不可避免的，所以為了使運(yùn)放的輸出電壓等于0，必需在運(yùn)放兩個(gè)輸入端加一個(gè)小的電壓以達(dá)到平衡，而這個(gè)需要加的小電壓即為輸入失調(diào)電壓 Vos。
②輸入失調(diào)電壓的溫度漂移
輸入失調(diào)電壓的溫度漂移簡(jiǎn)稱輸入失調(diào)電壓溫漂，是指在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值。這個(gè)參數(shù)實(shí)際是輸入失調(diào)電壓的補(bǔ)充，便于計(jì)算在給定的工作范圍內(nèi)，放大電路由于溫度變化造成的漂移大小。一般運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在 ±10~20μV/℃之間，高精度運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓溫漂小于 ±1μV/℃。
③輸入偏置電流Ib
輸入偏置電流Ib，是指第一級(jí)放大器輸入晶體管的基極直流電流，同時(shí)也定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時(shí)，其兩輸入端的偏置電流平均值。輸入偏置電流對(duì)進(jìn)行高阻信號(hào)放大、積分電路等對(duì)輸入阻抗有要求的地方有較大的影響。輸入偏置電流與制造工藝有一定關(guān)系，其中雙極型工藝（即上述的標(biāo)準(zhǔn)硅工藝）的輸入偏置電流在 ±10nA~1μA之間；采用場(chǎng)效應(yīng)管做輸入級(jí)的，輸入偏置電流一般低于1nA。
④輸入偏置電流的溫度漂移
輸入偏置電流的溫度漂移簡(jiǎn)稱輸入偏置電流溫漂，跟輸入失調(diào)電壓溫漂一樣，因?yàn)闇囟鹊挠绊懺斐呻娏鞔笮∑啤＿\(yùn)放的輸入偏置電流會(huì)隨著溫度的變化而變化，如下圖所示，輸入偏置電流會(huì)在高于 25度時(shí)快速的升高。在 100度時(shí)的輸入偏置電流是 25度時(shí)的幾百倍。如果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，這一因素不得不考慮。
⑤輸入失調(diào)電流Ios
輸入失調(diào)電流Ios是指兩個(gè)差分輸入端偏置電流的誤差。輸入失調(diào)電流同樣反映了運(yùn)放內(nèi)部的電路對(duì)稱性，對(duì)稱性越好，輸入失調(diào)電流越小。由于工藝上很難做到兩個(gè)管子的完全匹配，所以這兩個(gè)管子Q1和Q2的基極電流總是有這么點(diǎn)差別（如下圖），也就是輸入的失調(diào)電流。
關(guān)于輸入失調(diào)電流與輸入偏置電流的區(qū)分。
輸入失調(diào)電流與輸入失調(diào)電壓一樣，都是描述運(yùn)放差分輸入的對(duì)稱性的。理想的差分輸入應(yīng)該是完全對(duì)稱的，但由于設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程的偏差，正負(fù)兩個(gè)輸入端的特性不會(huì)完全相同。這兩個(gè)失調(diào)參數(shù)的定義是，當(dāng)輸出為0時(shí)兩個(gè)輸入端的輸入電壓差(失調(diào)電壓)和輸入電流---即偏置電流的差(失調(diào)電流),，顯然在理想狀態(tài)下它們都應(yīng)該為0。
為了使運(yùn)放輸入級(jí)放大器工作在線性區(qū)，所必須輸入的一個(gè)直流電流，就是輸入偏置電流。在雙極晶體管輸入的運(yùn)放，偏置電流就是輸入管的基極電流,，在MOS管輸入的運(yùn)放是指柵極漏電流。
輸入失調(diào)電流=|IB1-IB2|
輸入偏置電流=1/2（IB1+IB2） IB1、IB2為輸入級(jí)差放管的輸入偏置電流
⑥共模輸入電壓Vcm
共模輸入電壓Vcm，是指運(yùn)放正常工作時(shí)輸入電壓的范圍，如輸入電壓過(guò)高或者過(guò)低，會(huì)造成運(yùn)放電路不同的MOS管進(jìn)入線性區(qū)，從而使電路不能正常的工作。其中，最大共模輸入電壓限制了輸入信號(hào)中的最大共模輸入電壓范圍，在有干擾的情況下，需要在電路設(shè)計(jì)中注意這個(gè)問(wèn)題。
⑦差模輸入阻抗
差模輸入阻抗是指運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，兩輸入端的電壓變化量與對(duì)應(yīng)的輸入端電流變化量的比值。差模輸入阻抗包括輸入電阻和輸入電容，在低頻時(shí)僅指輸入電阻。
⑧共模輸入阻抗
共模輸入阻抗是指運(yùn)放工作在輸入信號(hào)時(shí)（即運(yùn)放兩輸入端輸入同一個(gè)信號(hào)），共模輸入電壓的變化量與對(duì)應(yīng)的輸入電流變化量之比。在低頻情況下，它表現(xiàn)為共模電阻。
2、輸出端
①輸出電壓擺幅（Output Voltage Swing）
輸出電壓擺幅是指當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時(shí)，在特定負(fù)載條件下，輸出的最大值和最小值之差，是輸出能力的一種指標(biāo)；簡(jiǎn)單的理解就是輸出電壓的范圍。除低壓運(yùn)放外，一般運(yùn)放的輸出電壓擺幅大于±10V。對(duì)于一般運(yùn)放的輸出電壓擺幅是不能達(dá)到電源電壓，這是由于輸出級(jí)設(shè)計(jì)造成的；但是現(xiàn)代的部分低壓運(yùn)放的輸出級(jí)都做了特殊處理，使得在10kR負(fù)載時(shí)，輸出電壓擺幅接近到電源電壓的50mV以內(nèi)，所以稱為滿幅輸出運(yùn)放，又稱為軌到軌（raid-to-raid）運(yùn)放。
軌到軌（Rail to Rail），是指器件的輸入輸出電壓范圍可以達(dá)到電源電壓。但是不是所有的rail to rail 運(yùn)放輸入和輸出都接近電源，有的只是輸入，有的只是輸出，當(dāng)然也有的輸入輸出都是rail to rail 的。該類運(yùn)放的最大特點(diǎn)就是可以擴(kuò)展信號(hào)的電壓范圍，但一般輸出電流較小，在大電流的情況下并不能保證rail to rail。
需要注意的是，運(yùn)放的輸出電壓擺幅與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載不同，輸出電壓擺幅也不同；運(yùn)放的正負(fù)輸出電壓擺幅不一定相同。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，輸出電壓擺幅越接近電源電壓越好，這樣可以簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)。但是現(xiàn)在的滿幅輸出運(yùn)放只能工作在低壓，而且成本較高。
②共模抑制比
共模抑制比是指放大電路對(duì)差模信號(hào)的電壓增益與對(duì)共模信號(hào)的電壓增益之比的絕對(duì)值。共模抑制比是一個(gè)極為重要的指標(biāo)，它能夠抑制差模輸入中的共模干擾信號(hào)；因?yàn)槲覀円种屏闫怨材ｋ妷涸鲆嬖叫≡胶?，而差模電壓增益越大越好，所以希?CMRR越大越好，CMRR越大，放大電路的性能越優(yōu)良。由于共模抑制比很大，大多數(shù)運(yùn)放的共模抑制比一般在數(shù)萬(wàn)倍或更多，用數(shù)值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運(yùn)放的共模抑制比在 80~120dB之間。
③開(kāi)環(huán)增益Aol
在不具負(fù)反饋情況下(開(kāi)環(huán)路狀況下)，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)稱為開(kāi)環(huán)增益，記作Aol，有的 datasheet上寫(xiě)成：Large Signal Voltage Gain。Aol的理想值為無(wú)限大，一般約為數(shù)千倍至數(shù)萬(wàn)倍，其表示法有使用 dB及 V/mV等。
④增益帶寬
增益帶寬積（GBW）是放大器帶寬和帶寬增益的乘積。這項(xiàng)參數(shù)主要是針對(duì)運(yùn)算放大器，它可以讓電路設(shè)計(jì)人員通過(guò)指定的器件頻率（或頻帶）來(lái)確定其最大增益，反過(guò)來(lái)也同樣適用。
單位增益帶寬是指，運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個(gè)恒幅正弦小信號(hào)輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得閉環(huán)電壓增益下降3db（或是相當(dāng)于運(yùn)放輸入信號(hào)的 0.707）所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率。這項(xiàng)參數(shù)用于小信號(hào)處理的運(yùn)放選型。
一般運(yùn)放的都是用增益帶寬積GBW來(lái)表征其處理交流信號(hào)的能力，是一個(gè)常數(shù)。單位增益帶寬是指在運(yùn)放電路閉環(huán)增益為0db時(shí)的帶寬。
⑤壓擺率SR（轉(zhuǎn)換速率）
壓擺率又稱作轉(zhuǎn)換速率，是與運(yùn)放的增益帶寬積（GBW）同等重要的一個(gè)參數(shù)；可以理解為，將一個(gè)大信號(hào)（含階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得輸出信號(hào)的最大變化速度；反映的是一個(gè)運(yùn)算放大器在速度方面的指標(biāo)，表示運(yùn)放對(duì)信號(hào)變化速度的適應(yīng)能力，是衡量運(yùn)放在大幅度信號(hào)作用時(shí)工作速度的參數(shù)。轉(zhuǎn)換速率對(duì)于大信號(hào)處理是一個(gè)很重要的指標(biāo)，對(duì)于一般運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率 SR<=10V/μs，高速運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率 SR>10V/μs。目前的高速運(yùn)放最高轉(zhuǎn)換速率 SR達(dá)到 6000V/μs。這項(xiàng)參數(shù)用于大信號(hào)處理的運(yùn)放選型。
以上就是關(guān)于運(yùn)算放大器的基本原理和參數(shù)解讀，希望能給各位客戶朋友帶來(lái)幫助。
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