硬件设计基础----运算放大器

1 什么是运算放大器

运算放大器(运放)用于调节和放大模拟信号，运放是一个内含多级放大电路的集成器件，如图所示：

左图为同相位，Vn端接地或稳定的电平，Vp端电平上升，则输出端Vo电平上升，Vp端电平下降，则输出端Vo电平下降；右图为反相位，Vp端接地或稳定的电平，Vn端电平上升，则输出端Vo电平下降，Vn端电平下降，则输出端Vo电平上升

2 运算放大器的性质

理想运算放大器具备以下性质：

无限大的输入阻抗： 理想的运算放大器输入端不容许任何电流流入，即输入信号V+与V-两端点的电流信号恒为零，即输入阻抗无限大

趋近于零的输出阻抗： 理想运算放大器的输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出电压恒为一定值，即输出阻抗为零

无限大的开回路增益： 理想运算放大器的开回路的状态下，输入端的差动信号有无限大的电压增益，这个特性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态

无限大的共模抑制比： 理想运算放大器只能对V+与V-两端点电压的差值(差分信号)有反应，即只放大V + − V − 的部份。对于两输入信号的相同的部分(共模信号)将完全忽略不计

共模信号：双端输入时，两个信号相同。差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度

集成运算放大器有两种工作状态：

线性状态和非线性状态，当给集成运算放大器加上负反馈电路时，工作在线性状态，如果给集成运算放大器加正反馈电路或当其在开环工作时，工作在非线性状态

工作在线性状态的集成运算放大器有以下特点：

具有虚断特性及流入和流出输入端的电流都为0，I-=I+=0A

具有虚短的特性及两个输入端的电压相等，U+=U-

虚短和虚断

虚短： 集成运算放大器的开环放大倍数很大，一般通用型的运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上，但是运放的输出电压是有限制的，一般 在10V～14V，然而运放的差模输入电压不足1 mV，因此可以输入两端可以近似等电位，就相当于短路。 开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等，这种特性称之为虚短

虚断： 集成运算放大器具有输入高阻抗的特性，一般同向输入端和反向输入端的输入电阻都在1MΩ以上，所以输入端流入运放的电流往往小于1uA，远小于输入端外电路的电流。所以这里通常可把运放的两输入端视为开路，并且运放的输入电阻越大，同向和反向输入两端越接近开路。在运放处于线性状态时，根据这个特性可以把两输入端视为等效开路，简称虚断

工作在非线性状态的集成运算放大器具有以下特点：

当同相输入端电压大于反向输入端电压时，输出电压为高电平

当同相输入端电压小于反向输入端电压时，输出电压为低电平

3 运算放大器的分类

运算放大器按参数可分类为如图所示：

通用型运算放大器： 价格低廉，其性能指标适合于一般应用场景，常用型号LM358、LM324

低温漂型运算放大器： 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中，失调电压要小且不随温度的变化而变化，常用型号OP07、AD508

高精度运算放大器： 受温度影响小，噪声低，灵敏度高，适合微小信号放大，常用型号CF725M

高阻型运算放大器： 差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般Rid＞1GΩ~1TΩ，Ib为几皮安到几十皮安，常用型号LF355、CA3130

高速型运算放大器： 具有高的转换速率和宽的频率响应，用于快速A/D和D/A转换器，常用型号LM318、AD8052

低功耗型运算放大器： 低电源电压供电、低功率消耗，常用型号LM321、AD849

高压大功率型运算放大器： 运放的输出电压受供电电源的限制，普通运放若要提高输出电压或增大输出电流，需要加辅助电路。高压大功率运放外部不需要任何电流，即可输出高电压和大电流，常用型号PA44、A791

可编程控制运算放大器： 放大倍数可变，常用型号PGA103A、LTC6910

4 运算放大器的参数

共模输入电阻： 表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比

直流共模抑制： 用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力

交流共模抑制： 用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力

增益带宽积： 是个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以(-20dB/10倍频程)滚降的区域

输入偏置电流： 指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流

偏置电流温漂： 输入偏置电流在温度变化时产生的变化量

输入失调电流： 流入两个输入端的电流之差

输入失调电流温漂： 输入失调电流在温度变化时产生的变化量

差模输入电阻： 输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化

输出阻抗： 运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗

输出电压摆幅： 输出信号不发生钳位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰值

功耗： 在给定电源电压下所消耗的静态功耗

电源抑制比： 衡量电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力

转换速率： 输出电压的变化量与发生变化所需要时间之比的最大值

电源电流： 指定电源电压下器件消耗的静态电流

单位增益带宽： 开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率

输入失调电压： 表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差

输入失调电压温漂： 指温度变化引起的输入失调电压的变化

输入电容： 表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容

输入电压范围： 运算放大器正常工作时，允许输入电压的范围

输入电压噪声密度： 可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源

输入电流噪声密度： 可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端

5 运算放大器的应用

反相放大电路如图所示：

反相放大电路输入输出电压关系：

同相放大电路如图所示：

同相放大电路输入输出电压关系：

加法电路如图所示：

加法电路输入输出电压关系：

减法电路如图所示：

减法电路输入输出电压关系：

积分电路如图所示：

积分电路输入输出电压关系：

微分电路如图所示：

微分电路输入输出电压关系：

差分放大电路如图所示：

差分放大电路输入输出电压关系：

电压跟随器如图所示：

电磁采样放大电路如图所示：

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正