运算放大器的基本原理

关键的外卖

• 学习运算放大器的基本功能

• 了解运算放大器的内部结构及其工作原理

• 运算放大器的应用和用途

运算放大器原理图，包括输入、功率和输出

运放，简称运放，是一种带有差分输入的高增益放大电路。运算放大器是电路中用于线性、非线性和频率相关数学运算的最基本部件之一。

使用反馈，运算放大器变得更加通用，应用于科学，消费和工业设备。有许多资源描述运算放大器及其功能。我们将介绍运算放大器的功能基础知识，然后深入研究运算放大器的应用。

运算放大器基本操作

反运算放大器配置与负反馈

所有运算放大器都有特别有用的特性，例如难以置信的高输入阻抗和低输出阻抗，几乎没有电流流入它们的终端。在开环配置中没有反馈的运算放大器看起来相当简单。然而，闭环配置中的反馈允许各种应用程序，我们将讨论这些应用程序。

开环操作

没有任何附加电路，运算放大器只是输出正负极输入之间的差值。换句话说:

V_出=一个_OL(V₊- - - - - - V_-）

一个_OL是开环增益。理想运放的开环增益是无限大的，而实际运放的开环增益至少比差分电压大三个或更多数量级。在运放制造中，开环增益值并不总是得到很好的控制，因此在闭环配置中使用运放更有用。

闭环操作

运算放大器在与反馈网络一起实现时非常出色，可以创建所需的可预测操作。对于负反馈，增益和频率响应更多地由反馈网络决定，而不是运算放大器架构本身。

最终，在负反馈的情况下，运算放大器的作用是将其端子之间的输入电压差降至最低。换句话说，当在电路中实现时，它们通常以一种会导致其负和正差分输入相同的方式工作。

在上图中，我们有一个基本的负反馈逆变运放。运算放大器的两端电压相同，在这种情况下，0V(正极)连接到地。利用基尔霍夫的现行定律，我们可以说:

V_在/ R₁= - v_出/ R_f或V_出/ V_在=一个_闭环= - r_f/ R₁

运算放大器非理想

理想的运算放大器只存在于理论上。尽管运算放大器的设计在不断改进，但真正的运算放大器却存在缺陷各种各样的非理想状态在设计时，你应该记住:

• 真正的运算放大器有一个有限的环路增益，随着频率的增加而减小。换句话说，随着频率的增加，开环增益减小。的统一增益带宽积是有限环增益变为单位的频率。这使得运算放大器的行为类似于一阶低通滤波器靠近他们的GBWP。对于高频应用，可以使用电流反馈运算放大器。

• 运算放大器通常有低(但非零)输出阻抗。当使用低阻抗负载时，具有低输出阻抗是有用的。使用低阻抗负载降低了开环增益，也可能导致输出级中更多的静态电流，消耗更多的功率。

• 真正的运算放大器也有有限的输入阻抗——两个输入之间的微分输入阻抗和共模输入阻抗，即相对于地的输入阻抗。

• 真正的运算放大器需要输入偏置电流，当加上高输出阻抗负载时，会导致电压下降。

• 输入偏置电压是将输出电压设为零所需的电压。换句话说，V_出= 0 = a_OL(V₊- - - - - - V_-+ V_{输入——抵消}）．理论上，这应该是零，这样当两个输入的值相同时，输出就会被驱动为零。实际上，它是一个小的非零值，发生在差分输入阶段。

• 运算放大器可能具有共模增益，其中共模电压可能由于运算放大器的差分级而略微放大。共模抑制比(CMRR)量化了这种现象。

• 不管电源是什么，理想的运算放大器都不受波动的影响。实际上，电源抑制比衡量的是运放抑制电源电压变化的程度。

• 其他非理想情况可能由温度效应、漂移、失真、噪声和稳定性问题引起。

实际运算放大器中出现的其他缺陷涉及非线性和功率相关的考虑:

• 当输出只能达到电源的几伏(或在轨对轨运算安培中，毫伏)时，就会发生饱和。

• 回转，运算放大器只能输出以特定速率变化的信号，通常以伏特/微秒(V/μs)为单位。

• 有限的输出电流，通常约25 mA的普通741运放。

• 有限输出汇聚电流，运算放大器只能从另一个源吸收这么多电流。

• 尤其是在高频时，杂散电容可以发生在输入和输出之间。

• 跟踪电感在高速运算放大器的非反相输入端会引起振荡。

运算放大器架构

741系列运算放大器内部原理图，突出显示子电路。从维基百科．

有各种现成的运算放大器可满足您的大多数需求，包括轨对轨，高精度和低噪音。话虽如此，对基本运算放大器的构造有一个大致的了解，对于调试和进一步理解电路是有用的。

在最基本的层次上，运算放大器由差分放大器、增益级和输出级组成。在这里，我们将快速了解741型运放的内部电路，这是最常见和最容易获得的运放设计之一。

各个阶段包括:

• 当前镜像为红色
• 微分放大器是蓝色的
• 洋红色的是A级增益级
• 绿色的电压电平转换器
• 青色的输出级

差分放大器放大差分信号，同时拒绝共模信号。它具有低噪声和高输入阻抗，采用级联结构，并连接到有源负载。这种主动负载具有高的小信号阻抗，而没有大的直流压降。Q1和Q2是具有高输入阻抗的发射极从动器对。Q3和Q4是一个共基对，驱动主动负载Q7，将差分信号转换为进入Q15基的单尾信号。

品红a类电压放大器，由Q15和Q19组成的达林顿配置，具有高电压增益，因为它使用Q13作为其集电极负载，产生更高的增益。Q20的基础由Q15/Q19驱动。Q16是一个电平移位器，驱动输出晶体管Q14的基极。在过量电流的情况下，Q22吸收电流并阻止它到达Q22。

输出放大器为青色，由Q14和Q20组成，是AB类互补对称放大器。Q16(绿色)提供静态电流，可以通过Q17限制电流。

运算放大器应用

运算放大器是最通用的电路元件之一。任何时候你想用模拟信号执行数学函数，运算放大器都可以达到这个目的，从而产生广泛的电路应用:

• 可变增益放大可以通过修改电阻反馈网络来实现。这可以通过切换各种组合的CMOS开关来实现。

• 运算放大器可以通过添加或减去不同频率的信号来形成混频器和调制器。

• 采样-保持电路可以围绕运算放大器进行数据收集。电路在采样信号值和保持特定时间之间切换——这对创建音频-数字转换器有用。

• 可以使用运算放大器在4-20 mA接收机设计去除对应于活零或4 mA电流的偏置电压。

• 运算放大器在构造有源滤波器如PI滤波器。

运算放大器也用于各种设备和传感器中。例如:

• 创建用于化学分析方法的差分脉冲伏安电路需要一个由运算放大器制成的恒电位器。

• 运算放大器可用于在电流测量装置中从电化学电池收集电流。

• 压控振荡器而且可以构造多振子电路运算放大器用完了。或者，与调谐集电极振荡器，调谐基振荡器，Colpitts振荡器和Hartley振荡器，运算放大器可以用来放大吗缓冲信号。

• 带有正反馈和迟滞的运算放大器可用于创建Schmitt触发器，尽管它们可能在频率上受到限制(取决于应用程序，比较器可能更好)。

• 抗锯齿过滤器通常使用运算放大器制成的具有低噪声放大能力的高阶有源滤波器。

• 各种温度传感器等IC-based传感器内置运算放大器用于ADC和放大。

无论你计划使用运算放大器进行什么电路设计，对它们的功能有一个强有力的基本理解是很重要的。为了创建一个原理图和布局你的电子设计，你将需要强大PCB设计与分析软件来帮助你。考虑为您的下一个项目使用Cadence的工具套件。