运算放大器介绍及其工作原理

介绍 & 简介

运算放大器 通常称之为" 运放 "，运算放大器 是一个非常神奇的东西。因为，它可以将输入端的电压放大数以万倍。具体理论的放大倍数是：十万倍~百万倍。那么之所以叫做是运算放大器是因为最开始的时候，它主要适用于：加法、减法、微分、积分 这些模拟运算电路当中。所以称它为运算放大器。

运算放大器是一个内含多级放大电路的电子集成电路(集成器件)，其输入级是差分放大电路，具有高输入电阻和抑制零点漂移能力;中间级主要进行电压放大，具有高电压放大倍数，一般由共射极放大电路构成;输出极与负载相连，具有带载能力强、低输出电阻特点。运算放大器的应用非常广泛。

拓展 差分放大：差分放大电路又称为 差动放大电路，当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动，因此称为差动。差分放大电路是由静态工作点稳定(实际作用就是控制电压和电流的静态值)的放大电路演变而来的，差分放大器单单是输入就用到了很多的元器件，这些元件共同组成了差分放大器。这样就可以使得你输入的阻抗很高还有就是使得电路的抗干扰能力变强，它的阻抗是可以看做是无穷大，也就是这一部分我们是可以等效成一个无穷大的一个电阻。好处：这样的设计好处是不影响输入的信号。

运算放大器工作原理

运算放大器是具有三个信号输入端子和两个电源端子的器件，在运算放大器当中有 两个输入端 和 一个输出端。运算放大器还有两个端子，用于器件供电。如下图所示：

 

电流永远不会流入或者流出输入端，电流可以流入和流出输出端。

从输出端流出或流出的电流，由运放的供电端提供。

运算放大器把用"+"的值输入的电压值，从"-"输入端的电压相减。运算放大器会在两个输入电压取这个差值。并且将它乘以一个非常大的数字，得到一个结果。也就是在课本当中的时候：输出端电压等于两个输入端的电压之差乘机一个很大的系数K。

 

比如：正端是0.5V，负端是0.3V的话。那么就是 (0.5 - 0.3) x 100000 = 20000V

当然，我们在实际电路当中是不可能输出端输出 20000V的，这个时候假设中间两端的电源线，假设正电源端 10V，那么它的实际输出电压也就是 10V。进入饱和状态。那么都会进入饱和状态的话，我们该怎么办毕竟运放也不会怎么用的。

电压跟随器

把输出端和负极进行连接起来，假设我们的输出是0.6V。那么经过一轮的循环，输出端就会往下降。Vo = 0.5V

 

假设输出端是 0.4V 的话，一轮的循环之后，输出端又会往上提升。

 

使得最后Vo输出值会无限接近正极输入端Vp的值。在这里就是 0.5V。所以此时 Vp=Vo=Vn。以上所说的就是电压跟随器的基础模型。

两个特性

对于电压较大的电路可以用这个模型。 稳定输出我们想要的电压值。注意：输出(Vo)和输入(Vn)是不会销毁的，原因是运放的阻抗输入端，阻抗是无穷大的，大到我们电流根本就输入不进去。这就是运放的特性 虚断。于是：运放是具有隔离的作用的，避免电路的烧毁。

而输入端Vp 和 Vn 的电压是相等的，也就意味着它会产生短路，短路就是几乎没有电压了。但是，运放依旧能正常的运行，这就是运放的第二个特性 虚短。注意：虚短的应用是必须要在负反馈情况下才能够使用。

定义：将一个系统的输出信号的一部分或全部以一定方式和路径送回到系统的输入端作为输入信号的一部分，这个作用过程叫——反馈。按反馈的信号极性分类，反馈可分为正反馈和负反馈。

那么根据上面的特性，我们就可以知道：Vo(输出) = Vp x (1+R2/R1)

拓展知识

再来介绍下最常用的几种运放知识点：(来自百度百科)

常用的廉价运算放大器有LM324/358。常用的高输入阻抗(阻抗值很高通常)运算放大器有CA3140、TL072。常用的高速运算放大器有AD8052、OP37和LM4562。若是用于高保真音响，这里推荐你用LM4562，其工作电压范围宽，精度高!(同时这类价格也会更贵通常)

LM4562是美国国家半导体公司近年推出的高保真双运放，其失真超小，仅有0.00003%的总谐波失真及噪声(THD+N)，换言之，这款运算放大器的失真几乎可以忽略不计。

LM4562芯片具有极低失真率、低噪声、高转换速率、很宽的工作电压范围以及较大输出电流等优点，性能之高是前所未有的。由于这款运算放大器具有这些优点，因此适用于专业级及高端的音频系统，如音像系统接收器、前置放大器、音频解码器和高保真功放以及各种医疗成像系统及工业设备。

LM4562芯片的设计非常独特，不但内置高速的6MHz单位增益带宽运算放大器，而且另外还加设了一个专有的立体声音频驱动放大器。标准工作状态下，这款运算放大器的输入噪声密度低至2.7nV/√Hz，中频的噪声转角 (noise corner) 达60Hz，输出电流达26mA，可驱动600Ω的负载。LM4562芯片的转换速率达20V/μs，增益带宽积高达55MHz。LM4562芯片可以在±2.5V至±17V之间的供电电压范围内保持工作稳定，最大输出电流高达45mA。该款芯片在上述的供电电压范围内操作时，其输入电路的共模抑制比(CMRR)及电源抑制比(PSRR)都高达108dB以上，而输入偏置电流则低至10μA(典型值)。