运算放大器的基本定义和工作原理

从本文开始，我们要为您介绍在电路设计中非常重要且会频繁出现的角色——运算放大器。我们会说明运算放大器的基本定义、内部原理、运作方式以及它们的电气特性，先来看看运算放大器是什么模样。

一运算放大器长这样

运算放大器（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗的直流耦合放大器件。它通常由多级放大电路组成，能够对输入信号进行放大、运算等处理。

图1.运算放大器的表示符号和五个端子

在电路中，运算放大器的符号是一个三角形。图1中的运算放大器有五个端子：1）同相输入；2）反相输入；3）输出；4）正电源；及5）负电源。这里“反相”和“同相”表示相对于输出的极性。

施加于同相输入端的电压相对于反相输入电位放大了AV倍。输出端与同相输入端具有相同的相位。施加于反相输入端的电压相对于同相输入电位也放大了AV倍。输出端与反相输入端具有相反的相位。

输出端提供的电压等于反相输入端与同相输入端之间的电压差乘以AV。当反相输入端与同相输入端具有相同电压和相位时，输出电压变为零。当反相输入端与同相输入端具有相同电压但相位相反时，输出端与同相输入端同相，所得到的电压等于二者的电压差乘以AV后的两倍。

运算放大器用途非常广泛。例如，东芝I/O全系列运算放大器TC75S102因为具有超低电流消耗的特点，最适合物联网设备的长期运行场景。再比如东芝的低噪声运算放大器TC75S67TU，将其和高性能传感器元件配合使用，可以实现高灵敏度、高精度的传感性能，对微弱的有用信号进行有效放大。

二运算放大器内部的运行“周天”

图2显示了运算放大器的简化等效电路，其由多个MOSFET组成。为使CMOS运算放大器正常工作，这些MOSFET必须在饱和区工作。图3显示了MOSFET的饱和区。

MOSFET在该区域内的工作方式如下：1，随着栅极-源极电压的升高，漏极电流增大；2随着漏极-源极电压的升高，漏极电流略微增大。漏极电流的细微变化会引起漏极-源极电压的显著变化。

图2：运算放大器的简化等效电路

图3：N沟道MOSFET的ID-VDS曲线

运算放大器各部分的功能如下：

● 差分输入对：放大VIN(+)输入端与VIN(-)输入端之间的电压差

● 电流镜：为构成差分输入对的Qp1和Qp2提供等量电流。电流镜用作差分输入对的负载电阻。电流镜的输出端（即差分输入对的漏极端子）通常具有高阻抗，很难用典型电阻器获得这么高的阻抗。因此，第一级差分放大器具有高增益。这种由晶体管构成的电阻负载称为有源负载。

● 电流源：确定流向差分输入对和共源放大器的电流量。电流源用作共源放大器的有源负载。

● 共源放大器：为连接至输出端的外部负载提供驱动电流，并补偿第一段差分放大器的增益。

我们来看下带有恒流源（Qp3）的电路（图2）。假设施加于VIN(-)和VIN(-)的输入电压升高了ΔV，增至（VDD–VIN+ΔV）。由于此电路有一个电流源，故流入差分输入对的电流保持不变。因此，Qn1的漏源电压（VDS_n3）保持不变。同理，VDS_n2保持不变。因此，对于共模输入电压，输出电压均保持恒定。（Qp3的VSD_p3补偿ΔV。由于电流源的源漏电压发生变化，故流向差分输入对的电流也会相应变化。由于电流源的漏源电压发生变化，故漏极电流（ID）也相应变化。但ID仅随VDS略微变化。故ID无显著变化。）当共模输入电压施加于VIN(+)和VIN(-)时，电流源的作用就是保持输出电压恒定。

图4：运算放大器的内部运行

让我们再来看下对VIN(+)和VIN(-)施加不同电压的情况（图4）。Qn2的漏极电压（VD_n2）从初始电压开始升高。增加的VD_n2被转移至后续的共源放大器。共源放大器的VGS_n3升高，导致ID_n3增大。但ID_n3的增大受到电流源的Qp4的限制。由于VGS_n3的升高不会导致ID_n3增大，故Qn3的漏源电压（VDS_n3）降低。这意味着当VIN(-)电压升高时，VOUT电压会降低。

本篇我们了解了运算放大器的基本定义和内部工作原理，下篇我们将分享运算放大器在系统设计中的正确“打开方式”。

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