运算放大器原理资料

运算放大器运算放大器（常简称为 “运放 ”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中 通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现 数学运算，故得名 “运算放大器 ”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命 名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体 技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛 应用于几乎所有的行业当中。编辑本段历史直流放大电路在工业技术领域中， 特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应 用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、 压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏 差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所 以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示， 从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号， 分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信 号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最 常用的器件是运算放大器。运算放大器最早被发明作为模拟信号的运算（实现加减乘 除比例微分积分等）单元，是模拟电子计算机的基本组成部件，由真空电子管组成。 目前所用的运算放大器，是把多个晶体管组成的直接耦合的具有高放大倍数的电路， 集成在一块微小的硅片上。第一块集成运放电路是美国仙童（fairchild ）公司发明的“A741，在60年代后 期广泛流行。直到今天pA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。编辑本段原理运放如上图有两个输入端a,b和一个输出端o.也称为倒向输入端（反相输入端）， 非倒向输入端（同相输入端）和输出端.当电压加U-加在a端和公共端（公共端是电压的 零位,它相当于电路中的参考结点 .）之间,且其实际方向从 a 端指向公共端时 ,输出电压 U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反当输入电压U+加在b端和公 共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同为了区别起见,a端和b端分 别用-和+号标出 ,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性 .电压的正负极性 应另外标出或用箭头表示 .反转放大器和非反转放大器如下图：一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（ Out ）和同相、反相两个高阻抗 输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大 器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出 可在零电压两侧变化， 在差动输入电压为零时输出也可置零。 采用单电源供电的运放， 输出在电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特 殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化， 甚至稍微高于 正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（ rail-to-rail ）输入运算放 大器。运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0 （ E1-E2 ），其中，A0是运放的低频开环增益（如 100dB，即100000倍）， E1 是同相端的输入信号电压， E2 是反相端的输入信号电压。编辑本段类型按照集成运算放大器的参数来分 ,集成运算放大器可分为如下几类。1 通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例 A741 （单运放）、LM358 （双运放）、 LM324 （四运放）及以场效应管为输入级的 LF356 都属于此种。它们 是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高 ,输入偏置电流非常小 ,一般 ri d 1GQ仃QIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高 输入阻抗的特点 ,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。 用 FET 作输入级 ,不仅输 入阻抗高 ,输入偏置电流低 ,而且具有高速、宽带和低噪声等优点 ,但输入失调电压较 大。常见的集成器件有 LF355 、LF347 (四运放)及更高输入阻抗的 CA3130 、CA3 140 等。3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 ,总是希望运算放大器的失调电压要 小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高 精度、低温漂运算放大器有 OP07 、OP27 、AD508 及由 MOSFET 组成的斩波稳零型 低漂移器件 ICL7650 等。4高速型运算放大器在快速 A/D 和 D/A 转换器、视频放大器中 ,要求集成运算放大器的转换速率 SR 一定要高,单位增益带宽BWG 定要足够大，像通用型集成运放是不能适合于高速应 用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见 的运放有 LM318、|JA715 等，其 SR=5070V/us,BWG 20MHz。5低功耗型运算放大器 由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大 ,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用 的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为2V18V,消耗电流为5025 OpA。目前有的产品功耗已达pW级，例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW, 可采用单节电池供电。6高压大功率型运算放大器 运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏 ,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流 , 集成运放外部必须要加辅助电路。 高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路 即可输出高电压和大电流。例如 D41 集成运放的电源电压可达 15OV,pA791 集成运 放的输出电流可达 1A。7.可编程控制运算放大器在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题 .为了得到固定电压得输出 ,就必 须改变运算放大器得放大倍数 .例如:有一运算放大器得放大倍数为 1 0倍,输入信号为 1mv时，输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时，输出就只有1mv,为了得到10mv 就必须改变放大倍数为 100.程控运放就是为了解决这一问题而产生得 .例如 PGA103 A,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数.编辑本段主要参数1. 共模输入电阻 (RINCM)该参数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。2. 直流共模抑制 (CMRDC)该参数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。3.交流共模抑制 (CMRAC)CMRAC 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， 是差模开环增益除以共模开环增益的函数。4.增益带宽积 (GBW)增益带宽积AOL * /是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以 - 20dB/十倍频程滚降的区域。5. 输入偏置电流 (IB) 该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。6. 输入偏置电流温漂 (TCIB) 该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。 TCIB 通常以 pA/C 为单位表示。7. 输入失调电流 (IOS) 该参数是指流入两个输入端的电流之差。8.输入失调电流温漂 (TCIOS) 该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。 TCIOS 通常以 pA/C 为 单位表示。9.差模输入电阻 (RIN) 该参数表示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。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。10.输出阻抗 (ZO) 该参数是指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。11. 输出电压摆幅 (VO) 该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值， V O 一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。12. 功耗(Pd)表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率， Pd 通常定义在空载情况下。13. 电源抑制比 (PSRR) 该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力， PSRR 通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。14. 转换速率 /压摆率 (SR) 该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。 SR 通常以 V/µs 为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。15. 电源电流 (ICC 、IDD) 该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流， 这些参数通常定义在空载情况下。16. 单位增益带宽 (BW)该参数指开环增益大于 1 时运算放大器的最大工作频率。17. 输入失调电压 (VOS) 该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。18. 输入失调电压温漂 (TCVOS)该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µV/C为单位表示。19. 输入电容 (CIN)CIN 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(另一输入端接地)。20. 输入电压范围 (VIN)该参数指运算放大器正常工作 (可获得预期结果 )时，所允许的输入电压的范围， VIN 通常定义在指定的电源电压下。21. 输入电压噪声密度 (eN)对于运算放大器， 输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电 压源， eN 通常以 nV / 根号 Hz 为单位表示，定义在指定频率。22. 输入电流噪声密度 (iN) 对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号 Hz 为单位表示，定义在指定频率。编辑本段应用运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流 放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。