运算放大器基础知识：什么是运算放大器？

2021-08-19

运算放大器基础知识：什么是运算放大器？

运算放大器或运算放大器只是具有(yǒu)多(duō)个端子的線(xiàn)性集成電(diàn)路 (IC)。运算放大器可(kě)以被认為(wèi)是一种電(diàn)压放大设备，其设计目的是在其输出和输入端子之间与外部反馈组件（例如電(diàn)阻器和電(diàn)容器）一起使用(yòng)。它是一种具有(yǒu)差分(fēn)输入和通常单端输出的高增益電(diàn)子電(diàn)压放大器。运算放大器是当今使用(yòng)最广泛的電(diàn)子设备之一，因為(wèi)它们用(yòng)于大量消费、工业和科(kē)學(xué)设备。

历史简介

1947年，哥(gē)伦比亚大學(xué)的John R. Ragazzini用(yòng)真空管研制出第一台运算放大器。

随着硅基晶體(tǐ)管的发展，IC的概念成為(wèi)现实。1960 年代初期，飞兆半导體(tǐ)公司的 Robert J. Wildar 制造了运算放大器 μA702。

1968 年，μA741 发布，导致其广泛生产。

现代运算放大器可(kě)用(yòng)于：

8 引脚金属罐封装 (TO)

具有(yǒu) 8/14 引脚的双列直插式封装 (DIP)

10/14针扁平封装的扁平封装

建造

典型运算放大器的内部原理(lǐ)图如下所示：

带（-）号的端子称為(wèi)反相输入端子，带（+）号的端子称為(wèi)同相输入端子。

V+和V-電(diàn)源端子分(fēn)别连接到直流電(diàn)压源的正负端子。V+ 和 V- 的公共端连接到参考点或地，否则電(diàn)源電(diàn)压的两倍可(kě)能(néng)会损坏运算放大器。

运算放大器的类型

运算放大器有(yǒu)无数的应用(yòng)，构成了線(xiàn)性和非線(xiàn)性模拟系统的基本构建块。一些类型的运算放大器包括：

差分(fēn)放大器，这是一种放大两个信号之间差异的電(diàn)路。

仪表放大器，通常由三个运算放大器构成，有(yǒu)助于放大传感器的输出（由测量的物(wù)理(lǐ)量组成）。

隔离放大器，类似于仪表放大器，但对共模電(diàn)压具有(yǒu)耐受性（会破坏普通运算放大器）。

负反馈放大器，通常由一个或多(duō)个运算放大器和電(diàn)阻反馈网络构成。

功率放大器放大从输入源（如麦克风或天線(xiàn)）接收到的小(xiǎo)信号。

运算放大器操作

理(lǐ)想情况下，运算放大器仅放大两者之间的電(diàn)压差，也称為(wèi)差分(fēn)输入電(diàn)压。运算放大器的输出電(diàn)压 V out由下式给出：

V out = A OL (V + – V – )

其中 A OL是放大器的开环增益。

在線(xiàn)性运算放大器中，输出信号是放大系数，称為(wèi)放大器增益 (A) 乘以输入信号值。

运算放大器参数

开环增益是没有(yǒu)正反馈或负反馈的增益。理(lǐ)想情况下，增益应该是无限的，但典型的实际值范围从大约 20,000 到 200,000 欧姆。

输入阻抗是输入電(diàn)压与输入電(diàn)流的比率。假定為(wèi)无穷大以防止任何電(diàn)流从源流向放大器。

理(lǐ)想运算放大器的输出阻抗假定為(wèi)零。该阻抗与负载串联，从而增加了负载可(kě)用(yòng)的输出。

理(lǐ)想运算放大器的带宽是无限的，可(kě)以放大从直流到最高交流频率的任何频率信号。然而，典型带宽受到增益带宽积的限制，它等于放大器增益变為(wèi)单位的频率。

当反相和同相输入之间的電(diàn)压差為(wèi)零时，放大器的理(lǐ)想输出為(wèi)零。现实世界的放大器确实表现出很(hěn)小(xiǎo)的输出失调電(diàn)压。

其他(tā)一些需要考虑的重要電(diàn)气参数是：

输入失调電(diàn)压：它是必须在运算放大器的输入端子之间施加以使输出无效的電(diàn)压。

输入偏移電(diàn)流：它是进入（-）输入和（+）输入的電(diàn)流之间的代数差。

输入偏置電(diàn)流：它是进入运算放大器 (-) 输入和 (+) 输入端子的電(diàn)流的平均值。

输入電(diàn)阻：它是在任一输入端子处看到的差分(fēn)输入電(diàn)阻，另一端子接地。

输入電(diàn)容：输入端任一端接地时可(kě)测得的等效電(diàn)容。

压摆率：定义為(wèi)由阶跃输入電(diàn)压引起的输出電(diàn)压的最大变化率。压摆率随着更高的闭环增益和直流電(diàn)源電(diàn)压而提高。它也是温度的函数，通常随着温度的升高而降低。

注意：- 尽管理(lǐ)想的运算放大器不会从電(diàn)源中汲取電(diàn)流，并且其响应与温度无关，但真正的运算放大器不会以这种方式工作。

运算放大器仅对两个電(diàn)压之间的差异做出响应，而与输入端的各个值无关。外部電(diàn)阻器或電(diàn)容器通常以多(duō)种方式连接到运算放大器，以形成基本電(diàn)路，包括反相、同相、電(diàn)压跟随器、求和、差分(fēn)、积分(fēn)器和微分(fēn)器类型的放大器。IC 封装中的运算放大器很(hěn)容易获得，最常见的是 μA-741。

常用(yòng)运放IC

2 中的 1

IC 741的内部電(diàn)路

引脚图

运算放大器应用(yòng)

运算放大器有(yǒu)无数的应用(yòng)，构成了線(xiàn)性和非線(xiàn)性模拟系统的基本构建块。

在線(xiàn)性電(diàn)路中，输出信号以線(xiàn)性方式随输入信号变化。一些線(xiàn)性应用(yòng)是：

加法器

减法器

電(diàn)压電(diàn)流转换器（跨导放大器）

電(diàn)流電(diàn)压转换器（跨阻放大器）

仪表放大器

功率放大器

另一类具有(yǒu)高度非線(xiàn)性输入到输出特性的電(diàn)路是：

整流器

峰值检测器

快船

夹钳

采样保持電(diàn)路

对数和反对数放大器

乘法器和除法器

比较器

由于运算放大器和相关電(diàn)路，它们已成為(wèi)音频放大器、波形发生器、稳压器、有(yǒu)源滤波器、555 定时器、AD 和 DA 转换器的组成部分(fēn)。