運(yùn)算放大器原理，集成運(yùn)算放大器原理

運(yùn)算放大器原理

運(yùn)算放大器（Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合﹐差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）電壓放大器，因?yàn)閯傞_始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運(yùn)算放大器如圖1-1。一個(gè)運(yùn)算放大器模組一般包括 一個(gè)正輸入端(OP_P)、一個(gè)負(fù)輸入端(OP_N)和一個(gè)輸出端(OP_O)。

通常使用運(yùn)算放大器時(shí)，會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）組態(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)生震蕩訊號的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見的組成元件

開環(huán)回路

圖1-2開環(huán)回路運(yùn)算放大器

開環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖1-2。當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開回路的方式工作時(shí)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：

V_out = ( V+ -V-) * Aog

其中Aog代表運(yùn)算放大器的開環(huán)回路差動增益 （open-loop differential gai由于運(yùn)算放大器的開環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動訊號很小，仍然會讓輸出訊號「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 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」。

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，放大器電路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通常可以將電路簡單地稱為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器 依據(jù)輸入訊號進(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1-3。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_環(huán)增益為無限大，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)系式如下：

Vout = -(Rf / Rin) * Vin

圖1-3反相閉環(huán)放大器

非反相閉環(huán)放大器如圖1-4。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_環(huán)增益為無限大，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)系式如下：

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

圖1-4非反相閉環(huán)放大器

集成運(yùn)算放大器原理

由于運(yùn)算放大器的增益極高，所以不能在兩輸入端之間加上輸入信號，而一定要用作反饋放大器。這種運(yùn)算放大器基本上可分為圖 2 － 9 所示的非倒相放大電路和圖 2 － 10 所示的倒相放大電路兩類。

(a) 非倒相放大電路

首先，我們來討論非倒相放大電路。設(shè) IN+ 端和 IN －端的電壓分別為V+和V- ，并認(rèn)為運(yùn)算放大器的增益無限大，則為要獲得有限的輸出電壓，則 V+=V- 。這點(diǎn)則是運(yùn)算放大器工作中的一大特征。在此前提下，分析電路工作就能變得十分簡單。根據(jù)此特征，輸入 與輸出的關(guān)系為：

(b) 倒相放大電路

下面我們來分析倒相放大電路。V+ = V-，這點(diǎn)是與非倒相放大電路情況相同的， 所以V+=0V 。這樣，盡管有輸入信號，然而IN-端處為 0V 。恰似接地，所以被叫做假想接地。于是，若討論流經(jīng) R5、Rf 的電流 I ，由于運(yùn)算放大器的輸入電流為 0 ，則

據(jù)此，可得出輸入與輸出的關(guān)系

可見，非倒相放大器和倒相放大電路，是從對應(yīng)于輸入，其輸出是否倒向這一事實(shí)出發(fā)而得名的。

(c) 差分放大電路

如圖 2 －11 所示，可將兩個(gè)這種放大電路組合成差分放大電路。IN+ 端的電壓V+由R51和Rf1分壓而得

流經(jīng)R52和Rf2的電流 I 為

由上述兩式可得

即差分放大器能夠獲得V1和V2之差成正比的輸出。

實(shí)際的運(yùn)算放大器

以上所述是均是理想的運(yùn)算放大器的情況。實(shí)際上，運(yùn)算放大器的增益不可能無限大，有電流向IN-、IN+端子流入（或流出），并且其電流不一定相等。即使在無信號時(shí)，V+、V-之間也有一定的電壓。

(a) 輸入偏置電流的影響

如果運(yùn)算放大器的輸入級由晶體管構(gòu)成，要使電路能正常工作，應(yīng)有偏置電流（基極電流）流過。該輸入偏置電流流經(jīng)反饋電阻時(shí)，會產(chǎn)生壓降，從而造成輸 出誤差。

對于采用場效應(yīng)管構(gòu)成輸入級的運(yùn)算放大器，由于輸入偏流幾乎可以忽略不計(jì)，不必產(chǎn)生過去的顧慮。但是，由于采用場效應(yīng)管輸入的運(yùn)算放大器來講，如果 溫度上升 10 攝氏度 ，則輸入偏流將增高兩倍，因此，這種運(yùn)算放大器必須避免在高溫情況下使用。

(b) 輸入位移電流的影響

相關(guān)閱讀：

• 電路基礎(chǔ)

聲明：本站部分內(nèi)容根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)資料整理而成，若侵犯您的權(quán)益，請聯(lián)系我們，我們會盡快處理。