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运算放大器工作原理是什么?

时间:2022-09-20 21:00:00 连接器fh52016lf连接器仪表精密低温漂电阻超精密网络电阻电阻型换向器lm3876t功率放大集成电路

操作放大器简称操作放大器,因其早期应用于模拟计算机,用于实现数学操作,因此得名为操作放大器。主要是用在模拟电路中,比如放大器、比较器、模拟运算器,是电子工程师经常要用到的器件。操作放大器是一个具有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。它是一种具有特殊耦合电路和反馈的放大器。输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学操作的结果。运放是一个从功能角度命名的电路单元,可以通过分立的设备或半导体芯片来实现。

随着半导体技术的发展,大部分的运输都是以单芯片的形式存在的。电子行业广泛应用于各种运输和放大器。为了更好地利用运输和放大器,有必要彻底了解操作放大器的工作原理。

操作放大器的工作原理是什么?

运算放大器(OperaTIonal Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(DifferenTIal-in, single-ended output)的高增益(gain)由于主要用于加法、乘法等运算电路,电压放大器得名。理想的操作放大器必须具备以下特点:无限输入阻抗、零输出阻抗、无限开路增益、无限共模排斥比、无限频宽。如图1-1所示,最基本的操作放大器。运算放大器模块一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和输出端(OP_O)。

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最基本的操作放大器

通常,当使用操作放大器时,其输出端与其相反(inverTIng input node)连接,形成负反馈(negaTIve feedback)组态。原因是操作放大器的电压增加非常大,范围从数百到数万倍不等。只有使用负反馈,电路才能稳定运行。但这并不意味着操作放大器不能连接到正反馈(positive feedback),相反,正反馈组态的操作放大器是许多需要产生冲击信号的系统中非常常见的组成部分。

图1-2开环路运算放大器

开环回路运算放大器如图1-2,当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时,其输出与输入电压的关系式如下:

Vout = ( V -V-) * Aog

其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增长率很高,即使输入端的差动信号很小,输出信号仍然会被允许「饱和」(saturation),导致非线性失真。因此,在电路系统中很少出现开环电路,少数例外是使用操作放大器作为比较器(comparator),逻辑准位元通常输出比较器「0」与「1」。

闭环负反馈

将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来,放大器电路就处在负反馈组态的状况,此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点,又可分为反相(inverting)放大器与非相反(non-inverting)两种放大器。

相反,闭环放大器如图1-3所示。假设闭环放大器使用理想的操作放大器,操作放大器的两个输入端是虚拟接地,因为它的开环增益是无限的(virtual ground),输出与输入电压的关系如下:

Vout = -(Rf / Rin) * Vin

图1-3反闭环放大器

非相反的闭环放大器如图1-4所示。假设闭环放大器使用理想的操作放大器,由于开环增益无限,操作放大器两个输入端的电压差几乎为零,输出与输入电压的关系如下:

Vout = ((R2 / R1) 1) * Vin

图1-4非反相闭环放大器

闭环正回馈

将操作放大器的正输入端与输出端连接起来,放大器电路处于正反馈状态。由于正反馈组态处于极不稳定状态,主要用于需要产生冲击信号的应用。

二、操作放大器工作原理-常用操作放大器电路分析:

1. Inverter Amp. 反相位放大电路:

放大倍数为Av = R2 / R但要考虑规格Gain-Bandwidth数值。

R3 = R4 提供 1 / 2 电源偏压

C3 去耦合电源滤波器

C1, C2 直流输入输出端

此时,输出端信号相位与输入端相反

2. Non-inverter Amp. 同相位放大电路:

放大倍数为Av=R2 / R1

R3 = R4提供 1 / 2电源偏压

C1, C2, C3 为隔直流

此时,输出端信号相位与输入端相同

3. Voltage follower 缓冲放大电路:

O/P输出端电位与I/P输入端电位相同

单双电源都可以工作

4. Comparator比较器电路:

I/P 电压高于Ref时O/P输出端为Logic低电位

I/P 电压低于Ref时O/P输出端为Logic高电位

R2 = 100 * R1 用以消除Hysteresis状态, 即为强化O/P输出端, Logic为了提高比较器的灵敏度,高低电位差距。 (R1=10 K, R2=1 M)

单双电源都可以工作

理想运放和理想运放条件

理想操作放大器参数条件:差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率无限;输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂、噪声均为零。

在分析和综合交付应用电路时,在大多数情况下,集成交付可以被视为理想的交付放大器。顾名思义,理想交付是理想化综合交付的技术指标。由于实际交付的技术指标接近理想交付,理想化带来的误差很小,在一般工程计算中可以忽略不计。

各项技术指标的理想运行如下:

1.开环差模电压放大倍数Aod = ∞;

2.输入电阻Rid = ∞;输出电阻Rod =0

3.输入偏置电流IB1=IB2=0 ;

4.失调电压UIO 、失调电流IIO 、电压温压温漂

、电流温流温漂

均为零;

5.共模抑制比CMRR = ∞;;

6.-3dB带宽fH = ∞ ;

7.无内部干扰和噪声。

实际运输参数达到以下水平时,可按理想运输处理:

电压放大倍数为104~105倍,输入电阻为105倍Ω;输出电阻小于几百欧姆; 外电路中的电流远大于偏置电流;失调电压、失调电流及其温度漂移很小,导致电路漂移在允许范围内,电路稳定性符合要求;输入最小信号时,有一定的信噪比,共模抑制比大于或等于60dB;带宽可满足电路带宽要求。

操作放大器中的虚短和虚假含义

在线性区域可以得出两个重要结论:

虚短

由于理想的电压放大倍数很大,在线区域是线性放大电路,输出电压不超过线性范围(即有限值),因此计算放大器的相同输入端和相反输入端的电位非常接近。运输供电电压为±15V输出最大值一般为10~13V。因此,两个输入端的电压差为1mV以下几乎是两个输入端的短路。这一特性称为虚短,显然不是真正的短路,而是在允许误差范围内分析电路时的合理相似性。

虚断

由于输入电阻一般在数百千欧元以上,同相输入端和反相输入端的电流非常小,比外部电路中的电流小几个数量级,流入输出电流往往可以忽略,这相当于输入端开路,称为虚拟断裂。显然,输入端不能真正打开。

在分析运输线性应用电路时,可以简化应用电路的分析过程。由操作放大器组成的操作电路需要输入和输出之间的函数关系,因此可以应用这两个结论。若运放不在线性区域工作,则无虚短、虚断的特点。如果测量两个输入端的电位,达到几毫伏以上,则通常不在线区域工作或损坏。

三、操作放大器的工作原理——操作放大器的重要指标

输入失调电压UIO

输入电压为零时,输出电压也应为零电压也应为零置)。但实际上,集成运输的差分输入级很难完全对称,通常在输入电压为零时,会有一定的输出电压。输入失调电压是指在输入端添加补偿电压,使输出电压为零。实际上,当输入电压为零时,将输出电压除以电压放大倍数,转换为输入端的值称为输入失调电压,即

UIO大小反映了运输和放电的对称性和电位配合。UIO越小越好,量级在2mV~20mV在超低失调和低漂移之间UIO一般在1μV~20μV之间

输入失调电流IIO

输出电压为零时,管基极静态电流差称为输入失调电流IIO ,即

由于信号源内阻的存在,IIO输入电压会发生变化,使输出电压不为零。IIO输入级差对称度越小,一般约为1nA~0.1μA。

输入偏置电流IIB

当输出电压为零时,两个输入端静态偏置电流的平均值定义为输入偏置电流,即

从使用角度看,偏置电流较小,信号源内阻变化引起的输出电压变化较小,因此输入偏置电流是一个重要的技术指标。IIB约为1nA~0.1μA。

输入失调电压温漂△UIO△T

输入失调电压温漂是指在规定工作温度范围内,输入失调电压随温度的变化量与温度变化量的比值。它是衡量电路温漂的重要指标,不能用外接调零装置的办法来补偿。输入失调电压温漂越小越好。一般的运放的输入失调电压温漂在±1mV/℃~±20mV/℃之间。

输入失调电流温漂 △IIO/△T

在规定工作温度范围内,输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值称为输入失调电流温漂。输入失调电流温漂是放大电路电流漂移的量度,不能用外接调零装置来补偿。高质量的运放每度几个pA。

最大差模输入电压Uidmax

最大差模输入电压Uidmax是指运放两输入端能承受的最大差模输入电压。超过此电压,运放输入级对管将进入非线性区,而使运放的性能显著恶化,甚至造成损坏。根据工艺不同,Uidmax约为±5V~±30V。

最大共模输入电压Uicmax

最大共模输入电压Uicmax是指在保证运放正常工作条件下,运放所能承受的最大共模输入电压。共模电压超过此值时,输入差分对管的工作点进入非线性区,放大器失去共模抑制能力,共模抑制比显著下降。

最大共模输入电压Uicmax定义为,标称电源电压下将运放接成电压跟随器时,使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压值;或定义为 下降6dB时所加的共模输入电压值。

开环差模电压放大倍数Aud是指集成运放工作在线性区、接入规定的负载,输出电压的变化量与运放输入端口处的输入电压的变化量之比。运放的Aud在60~120dB之间。不同功能的运放,Aud相差悬殊。

差模输入电阻Rid是指输入差模信号时运放的输入电阻。Rid越大,对信号源的影响越小,运放的输入电阻Rid一般都在几百千欧以上。

运放共模抑制比KCMR的定义与差分放大电路中的定义相同,是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,常用分贝数来表示。不同功能的运放,KCMR也不相同,有的在60~70dB之间,有的高达180dB。KCMR越大,对共模干扰抑制能力越强。

开环带宽BW

开环带宽又称-3dB带宽,是指运算放大器的差模电压放大倍数Aud在高频段下降3dB所对应的频率fH。

单位增益带宽BWG是指信号频率增加,使Aud下降到1时所对应的频率fT,即Aud为0dB时的信号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的 fT=7Hz,是比较低的。

转换速率SR (压摆率)

转换速率SR 是指放大电路在电压放大倍数等于1的条件下,输入大信号(例如阶跃信号)时,放大电路输出电压对时间的最大变化速率,见图7-1-1。它反映了运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为

转换速率SR是在大信号和高频信号工作时的一项重要指标,目前一般通用型运放压摆率在1~10V/µs左右。

单位增益带宽BWG (fT)

共模抑制比KCMR

差模输入电阻

开环差模电压放大倍数Aud

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。

四、运算放大器工作原理-运算放大器的分类

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μA741(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rid>1GΩ~1TΩ,IB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、CA3140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一定要足够大,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、μA715等,其SR=50~70V/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±2V~±18V,消耗电流为50~250μA。目前有的产品功耗已达μW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±150V,μA791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10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PGA103A,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数.

五、运算放大器工作原理-运算放大器的主要参数

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 * ƒ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,VO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。

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