1 什么是運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器(運(yùn)放)用于調(diào)節(jié)和放大模擬信號(hào)，運(yùn)放是一個(gè)內(nèi)含多級(jí)放大電路的集成器件，如圖所示：

左圖為同相位，Vn端接地或穩(wěn)定的電平，Vp端電平上升，則輸出端Vo電平上升，Vp端電平下降，則輸出端Vo電平下降;右圖為反相位，Vp端接地或穩(wěn)定的電平，Vn端電平上升，則輸出端Vo電平下降，Vn端電平下降，則輸出端Vo電平上升。

2 運(yùn)算放大器的性質(zhì)

理想運(yùn)算放大器具備以下性質(zhì)：

無(wú)限大的輸入阻抗： 理想的運(yùn)算放大器輸入端不容許任何電流流入，即輸入信號(hào)V+與V-兩端點(diǎn)的電流信號(hào)恒為零，即輸入阻抗無(wú)限大。

趨近于零的輸出阻抗： 理想運(yùn)算放大器的輸出端是一個(gè)完美的電壓源，無(wú)論流至放大器負(fù)載的電流如何變化，放大器的輸出電壓恒為一定值，即輸出阻抗為零。

無(wú)限大的開(kāi)回路增益： 理想運(yùn)算放大器的開(kāi)回路的狀態(tài)下，輸入端的差動(dòng)信號(hào)有無(wú)限大的電壓增益，這個(gè)特性使得運(yùn)算放大器十分適合在實(shí)際應(yīng)用時(shí)加上負(fù)反饋組態(tài)。

無(wú)限大的共模抑制比： 理想運(yùn)算放大器只能對(duì)V+與V-兩端點(diǎn)電壓的差值(差分信號(hào))有反應(yīng)，即只放大V + ? V ? 的部份。對(duì)于兩輸入信號(hào)的相同的部分(共模信號(hào))將完全忽略不計(jì)。

共模信號(hào)：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號(hào)相同。差模信號(hào)：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的相位相差180度。

集成運(yùn)算放大器有兩種工作狀態(tài)：

線性狀態(tài)和非線性狀態(tài)，當(dāng)給集成運(yùn)算放大器加上負(fù)反饋電路時(shí)，工作在線性狀態(tài)，如果給集成運(yùn)算放大器加正反饋電路或當(dāng)其在開(kāi)環(huán)工作時(shí)，工作在非線性狀態(tài)

工作在線性狀態(tài)的集成運(yùn)算放大器有以下特點(diǎn)：

具有虛斷特性及流入和流出輸入端的電流都為0，I-=I+=0A

具有虛短的特性及兩個(gè)輸入端的電壓相等，U+=U-

虛短和虛斷

虛短： 集成運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，一般通用型的運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80dB以上，但是運(yùn)放的輸出電壓是有限制的，一般 在10V～14V，然而運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，因此可以輸入兩端可以近似等電位，就相當(dāng)于短路。 開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等，這種特性稱(chēng)之為虛短。

虛斷： 集成運(yùn)算放大器具有輸入高阻抗的特性，一般同向輸入端和反向輸入端的輸入電阻都在1MΩ以上，所以輸入端流入運(yùn)放的電流往往小于1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。所以這里通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開(kāi)路，并且運(yùn)放的輸入電阻越大，同向和反向輸入兩端越接近開(kāi)路。在運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，根據(jù)這個(gè)特性可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，簡(jiǎn)稱(chēng)虛斷。

工作在非線性狀態(tài)的集成運(yùn)算放大器具有以下特點(diǎn)：

當(dāng)同相輸入端電壓大于反向輸入端電壓時(shí)，輸出電壓為高電平。

當(dāng)同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓時(shí)，輸出電壓為低電平。

3 運(yùn)算放大器的分類(lèi)

運(yùn)算放大器按參數(shù)可分類(lèi)為如圖所示：

通用型運(yùn)算放大器： 價(jià)格低廉，其性能指標(biāo)適合于一般應(yīng)用場(chǎng)景，常用型號(hào)LM358、LM324。

低溫漂型運(yùn)算放大器： 在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中，失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化，常用型號(hào)OP07、AD508。

高精度運(yùn)算放大器： 受溫度影響小，噪聲低，靈敏度高，適合微小信號(hào)放大，常用型號(hào)CF725M。

高阻型運(yùn)算放大器： 差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般Rid>1GΩ~1TΩ，Ib為幾皮安到幾十皮安，常用型號(hào)LF355、CA3130。

高速型運(yùn)算放大器： 具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)，用于快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，常用型號(hào)LM318、AD8052。

低功耗型運(yùn)算放大器： 低電源電壓供電、低功率消耗，常用型號(hào)LM321、AD849。

高壓大功率型運(yùn)算放大器： 運(yùn)放的輸出電壓受供電電源的限制，普通運(yùn)放若要提高輸出電壓或增大輸出電流，需要加輔助電路。高壓大功率運(yùn)放外部不需要任何電流，即可輸出高電壓和大電流，常用型號(hào)PA44、A791。

可編程控制運(yùn)算放大器： 放大倍數(shù)可變，常用型號(hào)PGA103A、LTC6910。

4 運(yùn)算放大器的參數(shù)

共模輸入電阻： 表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。

直流共模抑制： 用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同直流信號(hào)的抑制能力。

交流共模抑制： 用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同交流信號(hào)的抑制能力。

增益帶寬積： 是個(gè)常量，定義在開(kāi)環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以(-20dB/10倍頻程)滾降的區(qū)域。

輸入偏置電流： 指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流。

偏置電流溫漂： 輸入偏置電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。

輸入失調(diào)電流： 流入兩個(gè)輸入端的電流之差。

輸入失調(diào)電流溫漂： 輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量。

差模輸入電阻： 輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。

輸出阻抗： 運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗。

輸出電壓擺幅： 輸出信號(hào)不發(fā)生鉗位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰值。

功耗： 在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功耗。

電源抑制比： 衡量電源電壓變化時(shí)運(yùn)算放大器保持其輸出不變的能力。

轉(zhuǎn)換速率： 輸出電壓的變化量與發(fā)生變化所需要時(shí)間之比的最大值。

電源電流： 指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流。

單位增益帶寬： 開(kāi)環(huán)增益大于1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率。

輸入失調(diào)電壓： 表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。

輸入失調(diào)電壓溫漂： 指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化。

輸入電容： 表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)任何一個(gè)輸入端的等效電容。

輸入電壓范圍： 運(yùn)算放大器正常工作時(shí)，允許輸入電壓的范圍。

輸入電壓噪聲密度： 可以看作是連接到任意一個(gè)輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源。

輸入電流噪聲密度： 可以看作是兩個(gè)噪聲電流源，連接到每個(gè)輸入端和公共端。

5 運(yùn)算放大器的應(yīng)用

反相放大電路如圖所示：

反相放大電路輸入輸出電壓關(guān)系：

同相放大電路如圖所示：

同相放大電路輸入輸出電壓關(guān)系：

加法電路如圖所示：

加法電路輸入輸出電壓關(guān)系：

減法電路如圖所示：

減法電路輸入輸出電壓關(guān)系：

積分電路如圖所示：

積分電路輸入輸出電壓關(guān)系：

微分電路如圖所示：

微分電路輸入輸出電壓關(guān)系：

差分放大電路如圖所示：

差分放大電路輸入輸出電壓關(guān)系：

電壓跟隨器如圖所示：

電磁采樣放大電路如圖所示：

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