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(gè)端子：兩個(gè)高阻抗輸入端子和一個(gè)低阻抗輸出端子。反相輸入用負(fù)號(hào)（-）表示，同相輸入用正號(hào)（+）表示。運(yùn)算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對(duì)于信號(hào)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(lèi)

 

有四種方法可以對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行分類(lèi)：

 

●      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(jiàn)圖1），下面將做詳細(xì)描述。 

 

圖1：運(yùn)算放大器原理圖

 

開(kāi)環(huán)增益

 

開(kāi)環(huán)增益：運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益中的（圖1中的“A” ) 是電路無(wú)反饋時(shí)所測(cè)得的增益。開(kāi)環(huán)意味著反饋路徑即反饋環(huán)路開(kāi)路。開(kāi)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(kāi)環(huán)增益在閉環(huán)配置中非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽谡麄€(gè)溫度、工藝和信號(hào)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(gè)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(cè)得，理想情況下，輸入阻抗無(wú)窮大，使源負(fù)載盡可能小（實(shí)際上輸入端會(huì)有很小的漏電流）。在運(yùn)算放大器周?chē)挤烹娐房赡軙?huì)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(huì)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(dòng)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(wú)窮大的帶寬（BW），并且無(wú)論信號(hào)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(chēng)為“ -3dB”帶寬，超過(guò)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(cè)谳^高的頻率下仍可保持較高增益，但較高的增益也會(huì)導(dǎo)致更大功耗或更高的成本。 

 

圖2：運(yùn)算放大器的開(kāi)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(gè)曲線上的常數(shù)，可以通過(guò)公式（1）來(lái)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(cè)得。用戶可以用它來(lái)計(jì)算不同頻率下設(shè)備的開(kāi)環(huán)增益。GBP通常用于衡量一個(gè)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(huì)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(guò)將一部分輸出信號(hào)通過(guò)外部反饋電阻器饋送回反相輸入端來(lái)實(shí)現(xiàn)的 （見(jiàn)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(guò)使用負(fù)反饋，閉環(huán)增益可以通過(guò)外部反饋組件來(lái)確定，它比通過(guò)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(guò)公式（2）來(lái)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(gòu)買(mǎi)，有無(wú)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(gè)看似簡(jiǎn)單的運(yùn)放電路，最后卻出現(xiàn)振蕩，這種情況并不少見(jiàn)。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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