運(yùn)算放大器是什么？ 

 

運(yùn)算放大器（op amp）是一種模擬電路模塊，它采用差分電壓輸入，產(chǎn)生單端電壓輸出。

 

運(yùn)算放大器通常有三個端子：兩個高阻抗輸入端子和一個低阻抗輸出端子。反相輸入用負(fù)號（-）表示，同相輸入用正號（+）表示。運(yùn)算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對于信號鏈、電源和控制應(yīng)用等各種模擬功能非常有用。

 

運(yùn)算放大器的分類

 

有四種方法可以對運(yùn)算放大器進(jìn)行分類：

 

●      吸收電壓并在輸出端產(chǎn)生電壓的電壓放大器。

●      接收電流輸入并產(chǎn)生電流輸出的電流放大器。

●      將電壓輸入轉(zhuǎn)換為電流輸出的跨導(dǎo)放大器。

●      將電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出的跨阻放大器。

 

大多數(shù)運(yùn)算放大器都用于電壓放大，因此本文將重點(diǎn)介紹電壓放大器。 運(yùn)算放大器：關(guān)鍵特性和參數(shù) 運(yùn)算放大器有很多重要特性和參數(shù)（見圖1），下面將做詳細(xì)描述。 

 

圖1：運(yùn)算放大器原理圖

 

開環(huán)增益

 

開環(huán)增益：運(yùn)算放大器的開環(huán)增益中的（圖1中的“A” ) 是電路無反饋時(shí)所測得的增益。開環(huán)意味著反饋路徑即反饋環(huán)路開路。開環(huán)增益通常必須非常大（10,000+）才能發(fā)揮作用，但電壓比較器除外。

 

電壓比較器比較輸入端子之間的電壓。輸入端子之間很小的電壓差，都可引起輸出正負(fù)電壓軌的翻轉(zhuǎn)。高開環(huán)增益在閉環(huán)配置中非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽谡麄€溫度、工藝和信號變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電路性能。

 

輸入阻抗

 

運(yùn)算放大器的另一個重要特性是它們通常具有高輸入阻抗 (圖1中的“Z_IN”). 輸入阻抗在正負(fù)輸入端子之間測得，理想情況下，輸入阻抗無窮大，使源負(fù)載盡可能小（實(shí)際上輸入端會有很小的漏電流）。在運(yùn)算放大器周圍布放電路可能會明顯改變電源的有效輸入阻抗，因此必須謹(jǐn)慎配置外部組件和反饋環(huán)路。還有一點(diǎn)也很重要，輸入阻抗不僅僅由輸入直流電阻決定，輸入電容也會影響電路性能，必須考慮到這一點(diǎn)。

 

輸出阻抗

 

理想情況下，運(yùn)算放大器的輸出阻抗為零 (圖一中的“Z_OUT”)。但實(shí)際上輸出阻抗通常具有較小的值，這決定了它的電流驅(qū)動和電壓緩沖能力。

 

頻率響應(yīng)和帶寬（BW）

 

理想的運(yùn)算放大器具有無窮大的帶寬（BW），并且無論信號頻率如何變化，都能保持高增益。但實(shí)際上所有運(yùn)算放大器都具有有限的帶寬，通常稱為“ -3dB”帶寬，超過該帶寬，放大器的增益以-20dB / decade的速率隨頻率增加而下降。具有較高帶寬的運(yùn)算放大器性能也更優(yōu)，因?yàn)樗鼈冊谳^高的頻率下仍可保持較高增益，但較高的增益也會導(dǎo)致更大功耗或更高的成本。 

 

圖2：運(yùn)算放大器的開環(huán)頻率響應(yīng)曲線

 

增益帶寬積（GBP）

 

顧名思義，GBP是放大器增益和帶寬的乘積。GBP是整個曲線上的常數(shù)，可以通過公式（1）來計(jì)算：

 

 

GBP是在運(yùn)算放大器的增益達(dá)到單位增益的頻率點(diǎn)測得。用戶可以用它來計(jì)算不同頻率下設(shè)備的開環(huán)增益。GBP通常用于衡量一個運(yùn)放是否有用并衡量其性能，因?yàn)榫哂休^高GBP的運(yùn)算放大器可在較高頻率下提供更佳性能。

 

這些都是在設(shè)計(jì)中選擇運(yùn)算放大器時(shí)要考慮的主要參數(shù)，但根據(jù)應(yīng)用和性能需求，還有許多其他參數(shù)也會影響設(shè)計(jì)選擇，如輸入失調(diào)電壓、噪聲、靜態(tài)電流和電源電壓等。

 

負(fù)反饋和閉環(huán)增益

 

在運(yùn)算放大器中，負(fù)反饋是通過將一部分輸出信號通過外部反饋電阻器饋送回反相輸入端來實(shí)現(xiàn)的 （見圖3）。 

 

圖3：反相運(yùn)算放大器的負(fù)反饋

 

負(fù)反饋用于穩(wěn)定增益。通過使用負(fù)反饋，閉環(huán)增益可以通過外部反饋組件來確定，它比通過運(yùn)算放大器內(nèi)部組件確定增益具有更高的精度。因?yàn)閮?nèi)部運(yùn)算放大器組件可能由于工藝變化、溫度變化、電壓變化和其他因素而差異很大。閉環(huán)增益可通過公式（2）來計(jì)算：

 

 

運(yùn)算放大器：優(yōu)點(diǎn)和局限性

 

使用運(yùn)算放大器有很多好處。它通常以IC的形式出現(xiàn)，很容易購買，有無數(shù)種可選的性能規(guī)格，可以滿足所有應(yīng)用需求。它用途廣泛，是許多模擬應(yīng)用（包括濾波器設(shè)計(jì)、電壓緩沖器，比較器電路及許多其他應(yīng)用）的關(guān)鍵組成部分。此外，大多數(shù)公司都提供仿真支持，例如PSPICE模型，可以供設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建實(shí)際設(shè)計(jì)之前驗(yàn)證其運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。

 

其局限性在于它們是模擬電路，它要求設(shè)計(jì)人員了解模擬基本原理，如負(fù)載、頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性等。設(shè)計(jì)一個看似簡單的運(yùn)放電路，最后卻出現(xiàn)振蕩，這種情況并不少見。設(shè)計(jì)人員必須了解前文討論的這些關(guān)鍵參數(shù)，了解它們?nèi)绾斡绊懺O(shè)計(jì)，這也通常意味著設(shè)計(jì)人員必須具備中上水平的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

 

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