運算放大器（常簡稱為“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計算機(jī)中，用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，故得名“運算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的行業(yè)當(dāng)中。實際運算放大器的增益是有限值，而且隨頻率的升高而降低；其輸入阻抗不是無窮大，輸出阻抗也不等于零。

運算放大器原理_運算放大器 -發(fā)展史

第一個使用真空管設(shè)計的放大器大約在1930年前后完成，這個放大器可以執(zhí)行加與減的工作。

運算放大器最早被設(shè)計出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進(jìn)行加、減、乘、除的運算，同時也成為實現(xiàn)模擬計算機(jī)（analog computer）的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計上的用途卻遠(yuǎn)超過加減乘除的計算。今日的運算放大器，無論是使用晶體管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成電路（integrated circuits）元件，運算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運算放大器的要求。早期的運算放大器是使用真空管設(shè)計，當(dāng)前則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時，常常會利用分立式元件來實現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運算放大器。

1960年代晚期，仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor）推出了第一個被廣泛使用的集成電路運算放大器，型號為μA709，設(shè)計者則是鮑伯?韋勒（Bob Widlar）。但是709很快地被隨后而來的新產(chǎn)品μA741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個獨一無二的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進(jìn)仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741。直到今天μA741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運放原理的典型教材。

運算放大器原理_運算放大器 -原理

運放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點。）之間，且其實際方向從a 端高于公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：

一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。

運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。

運放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。

運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運放的低頻開環(huán)增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。

運算放大器原理_運算放大器 -簡介

能對信號進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的放大電路。它曾是模擬計算機(jī)的基礎(chǔ)部件，因而得名。采用集成電路工藝制做的運算放大器，除保持了原有的很高的增益和輸入阻抗的特點之外，還具有精巧、廉價和可靈活使用等優(yōu)點，因而在有源濾波器

、開關(guān)電容電路

、數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器

、直流信號放大、波形的產(chǎn)生和變換，以及信號處理等方面得到十分廣泛的應(yīng)用。

直流放大電路在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，特別是在一些測量儀器和自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。如在一些自動控制系統(tǒng)中，首先要把被控制的非電量（如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、流量、照度等）用傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，再與給定量比較，得到一個微弱的偏差信號。因為這個微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動顯示或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以需要把這個偏差信號放大到需要的程度，再去推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或送到儀表中去顯示，從而達(dá)到自動控制和測量的目的。因為被放大的信號多數(shù)變化比較緩慢的直流信號，分析交流信號放大的放大器由于存在電容器這樣的元件，不能有效地耦合這樣的信號，所以也就不能實現(xiàn)對這樣信號的放大。能夠有效地放大緩慢變化的直流信號的最常用的器件是運算放大器。運算放大器最早被發(fā)明作為模擬信號的運算（實現(xiàn)加減乘除比例微分積分等）單元，是模擬電子計算機(jī)的基本組成部件，由真空電子管組成。所用的運算放大器，是把多個晶體管組成的直接耦合的具有高放大倍數(shù)的電路，集成在一塊微小的硅片上。

第一塊集成運放電路是美國仙童（fairchild）公司發(fā)明的μA741，在60年代后期廣泛流行。直到今天μA741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運放原理的典型教材。

運算放大器原理_運算放大器 -分類

按照集成運算放大器的參數(shù)來分，集成運算放大器可分為如下幾類。

通用型

通用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例μA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運算放大器。

高阻型

這類集成運算放大器的特點是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。實現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

低溫漂型

在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設(shè)計的。當(dāng)前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。

高速型

在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運放有LM318、μA715等，其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

低功耗型

由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為±2V~±18V，消耗電流為50~250μA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)μW級，例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供電。

高壓大功率型

運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達(dá)±150V，μA791集成運放的輸出電流可達(dá)1A。

可編程控制型

在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出，就必須改變運算放大器得放大倍數(shù).例如：有一運算放大器得放大倍數(shù)為10倍，輸入信號為1mv時，輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時，輸出就只有1mv，為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100。程控運放就是為了解決這一問題而產(chǎn)生的。例如PGA103A，通過控制1,2腳的電平來改變放大的倍數(shù)。

運算放大器原理_運算放大器 -使用說明

正確選擇集成運算放大器

集成運算放大器是模擬集成電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件。在由運算放大器組成的各種系統(tǒng)中,由于應(yīng)用要求不一樣,對運算放大器的性能要求也不一樣。

在沒有特殊要求的場合,盡量選用通用型集成運放,這樣既可降低成本,又容易保證貨源。當(dāng)一個系統(tǒng)中使用多個運放時,盡可能選用多運放集成電路,例如LM324、LF347等都是將四個運放封裝在一起的集成電路。

評價集成運放性能的優(yōu)劣,應(yīng)看其綜合性能。一般用優(yōu)值系數(shù)K來衡量集成運放的優(yōu)良程度,其定義為：式中,SR為轉(zhuǎn)換率,單位為V/ms,其值越大,表明運放的交流特性越好;Iib為運放的輸入偏置電流,單位是nA;VOS為輸入失調(diào)電壓,單位是mV。Iib和VOS值越小,表明運放的直流特性越好。所以,對于放大音頻、視頻等交流信號的電路,選SR（轉(zhuǎn)換速率）大的運放比較合適;對于處理微弱的直流信號的電路,選用精度比較的高的運放比較合適（既失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫飄均比較小）。

實際選擇集成運放時,除優(yōu)值系數(shù)要考慮之外,還應(yīng)考慮其他因素。例如信號源的性質(zhì),是電壓源還是電流源;負(fù)載的性質(zhì),集成運放輸出電壓和電流的是否滿足要求;環(huán)境條件,集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。

使用要點

1．集成運放的電源供給方式

集成運放有兩個電源接線端+VCC和-VEE,但有不同的電源供給方式。對于不同的電源供給方式,對輸入信號的要求是不同的。

（1）對稱雙電源供電方式

運算放大器多采用這種方式供電。相對于公共端（地）的正電源（+E）與負(fù)電源（-E）分別接于運放的+VCC和-VEE管腳上。在這種方式下,可把信號源直接接到運放的輸入腳上,而輸出電壓的振幅可達(dá)正負(fù)對稱電源電壓。

（2）單電源供電方式

單電源供電是將運放的-VEE管腳連接到地上。此時為了保證運放內(nèi)部單元電路具有合適的靜態(tài)工作點,在運放輸入端一定要加入一直流電位,如圖3.2.1所示。此時運放的輸出是在某一直流電位基礎(chǔ)上隨輸入信號變化。對于圖3.2.1交流放大器,靜態(tài)時,運算放大器的輸出電壓近似為VCC/2,為了隔離掉輸出中的直流成分接入電容C3。

圖3.2.1 運算放大器單電源供電電路

2．集成運放的調(diào)零問題

由于集成運放的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流的影響,當(dāng)運算放大器組成的線性電路輸入信號為零時,輸出往往不等于零。為了提高電路的運算精度,要求對失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,這就是運算放大器的調(diào)零。常用的調(diào)零方法有內(nèi)部調(diào)零和外部調(diào)零,而對于沒有內(nèi)部調(diào)零端子的集成運放,要采用外部調(diào)零方法。下面以mA741為例,圖3.2.2給出了常用調(diào)零電路。圖3.2.2(a)所示的是內(nèi)部調(diào)零電路;圖（b）是外部調(diào)零電路。

3．集成運放的自激振蕩問題

運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器,在接成深度負(fù)反饋條件下,很容易產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定的工作,就需外加一定的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),以消除自激振蕩。圖3.2.3是相位補(bǔ)償?shù)氖褂秒娐贰?/p>

圖3.2.2 運算放大器的常用調(diào)零電路 圖3.2.3 運算放大器的自激消除

另外,防止通過電源內(nèi)阻造成低頻振蕩或高頻振蕩的措施是在集成運放的正、負(fù)供電電源的輸入端對地一定要分別加入一電解電容（10mF）和一高頻濾波電容（0.01mF~0.1mF）。如圖3.2.3所示。

4．集成運放的保護(hù)問題

集成運放的安全保護(hù)有三個方面：電源保護(hù)、輸入保護(hù)和輸出保護(hù)。

（1）電源保護(hù)。電源的常見故障是電源極性接反和電壓跳變。電源反接保護(hù)和電源電壓突變保護(hù)電路見圖 3.2.4（a）、(b)所示。對于性能較差的電源,在電源接通和斷開瞬間,往往出現(xiàn)電壓過沖。圖(b)中采用FET電流源和穩(wěn)壓管鉗位保護(hù),穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值大于集成運放的正常工作電壓而小于集成運放的最大允許工作電壓。FET管的電流應(yīng)大于集成運放的正常工作電流。

（2）輸入保護(hù)。集成運放的輸入差模電壓過高或者輸入共模電壓過高（超出該集成運放的極限參數(shù)范圍）,集成運放也會損壞。圖3.2.5 所示是典型的輸入保護(hù)電路。

圖3.2.4 集成運放電源保護(hù)電路 圖3.2.5 集成運放輸入保護(hù)電路

（3）輸出保護(hù)。當(dāng)集成運放過載或輸出端短路時,若沒有保護(hù)電路,該運放就會損壞。但有些集成運放內(nèi)部設(shè)置了限流保護(hù)或短路保護(hù),使用這些器件就不需再加輸出保護(hù)。對于內(nèi)部沒有限流或短路保護(hù)的集成運放,可以采用圖3.2.6所示的輸出保護(hù)電路。在圖3.2.6電路中,當(dāng)輸出保護(hù)時,由電阻R起限流保護(hù)作用。

圖3.2.6 集成運放輸出保護(hù)電路

運算放大器原理_運算放大器 -參數(shù)

共模輸入電阻

該參數(shù)表示運算放大器工作在線性區(qū)時，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

該參數(shù)用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信號的抑制能力。

交流共模抑制

CMRAC用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信號的抑制能力，是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。

增益帶寬積

增益帶寬積是一個常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。

輸入偏置電流

該參數(shù)指運算放大器工作在線性區(qū)時流入輸入端的平均電流。

偏置電流溫漂

該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。

輸入失調(diào)電流

該參數(shù)是指流入兩個輸入端的電流之差。

輸入失調(diào)電流溫漂（TCIOS)

該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。

差模輸入電阻

該參數(shù)表示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。在一個輸入端測量時，另一輸入端接固定的共模電壓。

輸出阻抗

該參數(shù)是指運算放大器工作在線性區(qū)時，輸出端的內(nèi)部等效小信號阻抗。

輸出電壓擺幅

該參數(shù)是指輸出信號不發(fā)生箝位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。

功耗

表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。

電源抑制比

該參數(shù)用來衡量在電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。

轉(zhuǎn)換速率

該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/µs為單位表示，有時也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。

電源電流

該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。

單位增益帶寬

該參數(shù)指開環(huán)增益大于1時運算放大器的最大工作頻率。

輸入失調(diào)電壓

該參數(shù)表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差。

輸入失調(diào)電壓溫漂（TCVOS)

該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以µV/°C為單位表示。

輸入電容

CIN表示運算放大器工作在線性區(qū)時任何一個輸入端的等效電容（另一輸入端接地）。

輸入電壓范圍

該參數(shù)指運算放大器正常工作（可獲得預(yù)期結(jié)果）時，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。

輸入電壓噪聲密度（eN)

對于運算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。

輸入電流噪聲密度（iN)

對于運算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，連接到每個輸入端和公共端，通常以 pA / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。

理想運算放大器參數(shù)：差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻、共模抑制比、上限頻率均無窮大；輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流及其溫漂，以及噪聲均為零。

運算放大器原理_運算放大器 -應(yīng)用

運算放大器是用途廣泛的器件，接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，可用作精密的交流和直流放大器、有源濾波器、振蕩器及電壓比較器。

運算放大器原理_運算放大器 -測量

運算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器，常用于高精度模擬電路，因此必須精確測量其性能。但在開環(huán)測量中，其開環(huán)增益可能高達(dá)107或更高，而拾取、雜散電流或塞貝克（熱電偶）效應(yīng)可能會在放大器輸入端產(chǎn)生非常小的電壓，這樣誤差將難以避免。

通過使用伺服環(huán)路，可以大大簡化測量過程，強(qiáng)制放大器輸入調(diào)零，使得待測放大器能夠測量自身的誤差。圖1顯示了一個運用該原理的多功能電路，它利用一個輔助運放作為積分器，來建立一個具有極高直流開環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。開關(guān)為執(zhí)行下面所述的各種測試提供了便利。

圖1所示電路能夠?qū)⒋蟛糠譁y量誤差降至最低，支持精確測量大量直流和少量交流參數(shù)。附加的“輔助”運算放大器無需具有比待測運算放大器更好的性能，其直流開環(huán)增益最好能達(dá)到106或更高。如果待測器件（DUT）的失調(diào)電壓可能超過幾mV，則輔助運放應(yīng)采用±15V電源供電（如果DUT的輸入失調(diào)電壓可能超過10mV，則需要減小99.9kΩ電阻R3的阻值。）

DUT的電源電壓+V和

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