一文詳解運算放大器 天天百事通

運算放大器，簡稱“ 運放 ”，是電力電子中最重要的器件之一，主要作用為：信號放大、信號運算、信號處理、波形的產生和變換。

(資料圖片)

一、運算放大器的內部結構

集成運算放大器內部結構

集成運算放大器內部一般由四個單元組成，各單元作用如下

輸入級：一般采用差分放大電路，用來抑制零點漂移。

中間級：由一級或多級放大電路組成，主要是提供足夠高的電壓放大倍數。

輸出級：電壓增益為1，主要為輸出提供帶載能力。

偏置電路：為各級電路提供靜態工作點。

二、運算放大器的電路符號和基本特性

運算放大器電路符號

運算放大器的基本特性：

①理想運放開環放大倍數為無窮大。

②運放輸出電壓不可能超過運放供電電壓(一般十幾伏)。

③理想運放輸入阻抗無窮大。

④理想運放輸出阻抗為零。

虛短與虛斷的概念： 一方面，由于運放的電壓放大倍數很大，一般通用型運算放大器的開環電壓放大倍數都在數萬倍。 而運放的輸出電壓是有限的，一般不超過15V。 因此運放的差模輸入電壓不足1mV，兩輸入端電位接近相等，相當于 “短路”。 另一方面，由于運放的輸入阻抗非常大(MΩ級)，所以流入運放的電流幾乎為零，相當于 “斷路”。

虛短與虛斷主要在涉及運放計算的時候作為已知條件使用。

三、運算放大器的幾個參數概念

1.軌至軌(rail to rail): 運放通常為晶體管推挽輸出，由于管壓降的存在，運放輸出電壓達不到運放電源電壓，經過特殊設計的運放輸出電壓可以達到電源電壓值，稱之為軌至軌運放。

2.帶寬： 低頻信號可以正常放大，高頻信號放大時會產生相移和衰減，只有高帶寬的運放才能放大高頻信號，所以叫高速運放。 (這里的高速即高頻)

3.增益帶寬積(GBW)： 對于選定的一個運放構成同類放大電路，增益和帶寬的乘積近似相等，這意味著運放的放大倍數越大，帶寬會越窄。

4.壓擺率(SR)： 即運放輸出信號的轉換速度。單位為V/us，壓擺率和帶寬屬于運放的同一類指標，高帶寬壓擺率也會高，一般壓擺率高的運放工作電流也大。

5.輸入阻抗與偏置電流： 輸入偏置電流越小越好，否則就難以認為是虛斷的，對于高阻信號，運放實際上是不能看成輸入阻抗無窮大的。

6.輸入失調電壓： 一個理想的運放，當輸入電壓為0時，輸出電壓也為0，但實際上它的差分輸入級很難做到完全對稱，為使輸出電壓為0，在輸入端加的補償電壓叫做失調電壓，輸入失調電壓反映了電路的對稱程度。

7.共模抑制比(CMRR)： 這個指標用來衡量差動放大電路抑制共模信號的能力，其定義為放大器對差模信號的電壓放大倍數與對共模信號的電壓放大倍數之比，CMRR值越大，差動放大電路抑制共模信號的能力越強，運放的性能越好。理想運放差分放大電路完全對稱，共模抑制比趨于無窮大。

四、運算放大器的分類

通用型運算放大器： 主要特點是價格低廉、產品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。

低溫漂型運算放大器： 在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。

高阻型運算放大器： 特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般輸入阻抗超過1GΩ~1TΩ,輸入電流為幾皮安到幾十皮安。

高速型運算放大器： 主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。

低功耗型運算放大器： 由于電子電路集成化的最大優點是能使復雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。

高壓大功率型運算放大器： 運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

可編程控制運算放大器： 在儀器儀表的使用過程中都會涉及到量程問題.為了得到固定電壓輸出,就必須改變運算放大器的放大倍數。

1.運放為什么必須引入負反饋

引入負反饋，主要是使放大電路工作在線性區，使輸出電壓不超過最大輸出電壓，如果不引入負反饋，由于運行的線性區范圍很小，其電壓放大倍數又太大，理想認為無窮大，輸出極易飽和，沒有穩定性可言，顯然這不是我們需要的東西。

雖然負反饋是以降低放大倍數為代價，但本質目的是為了改善放大電路的工作性能，如穩定放大倍數、減少非線性失真、擴展通頻帶等，并且降低之后的放大倍數足夠電路設計使用，所以在實用放大器中幾乎都引入負反饋。

值得注意的是："虛斷"在任何情況下都適用，而"虛短"的前提是運放工作在線性區。

運放特性曲線

2.同相放大和反相放大怎么區分

看輸入信號Vin從運放的哪一端進去的，如果是反相端進去就是反相放大，從同相端進去的就是同相放大，如果兩個端口都有信號輸入，一般是差分或者加減法運算。

集成運算放大器既可以接成同相放大也可以接成反相放大，那使用同相放大好還是反相放大好呢?

我們先看二者的區別：

①同相放大器

優點：輸入高阻抗，對輸出阻抗很大的電路較有好處。

缺點：放大電路沒有虛地，(除了差模信號外)還有有較大的共模電壓，抗干擾能力相對較差，(用同相放大要有較高的共模抑制比)另一個小缺點就是放大倍數只能大于1。

②反相放大器

優點:兩個輸入電位始終近似為零(同相端接地，反相端虛地)，只有差模信號，抗干擾能力強;

缺點：輸入阻抗很小，不適用于前級電路輸出阻抗很大的場合。

3.如何快速判斷運放的反饋類型

①判斷是串聯反饋還是并聯反饋：

串聯是指反饋信號接在非輸入端;

并聯是指反饋信號接在信號的輸入端。

②判斷是電壓反饋還是電流反饋：

電壓是指反饋信號取自直接輸出端;

電流是指反饋信號間接的取自輸出端。

4.單電源運放與雙電源運放的區別

最開始運放都是雙電源供電，一個正電源一個負電源且絕對值相同。后來為了應對便攜式設備低功耗的需求，不少廠家就推出了單電源供電的運放來適應這種減少電源個數降低電源電壓的節能需求，原有的雙電源供電功能仍然保留;近年來，又出現了純粹的單電源供電(不能使用雙電源)的運算放大器。

優缺點比較：雙電源的總動態范圍、輸出電壓/電流、精度、負載抗干擾性優于單電源運放;

單電源的輸入輸出電壓范圍相比供電電源電壓來說更大。

應用區別

a)供電電壓的區別;

b)單電源供電的同向輸入放大器要求輸入電壓不能為負;

c)單電源供電的反向輸入放大器要求輸入電壓不能為正;

d)單電源供電的運放要放大交流信號必須提供合適的偏置電壓。

審核編輯：湯梓紅

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