運算放大器基礎知識：什么是運算放大器

    運算放大器是模擬設計最有用的電路模塊之一。它們易于使用，可以提供一些近乎完美的模擬電路。

集成電路，集成電路對電子領域產生了巨大影響 - 模擬和數(shù)字電路都改變了電子產品的面貌。

在模擬電子領域，沒有一個比運算放大器或運算放大器更有意義。運算放大器可以通過添加少量其他組件來制作非常高性能的放大器。

運算放大器還可以構成許多其他電路的基礎，從濾波器到定時器，振蕩器到比較器和非穩(wěn)態(tài)器。因此，運算放大器是模擬工程師和業(yè)余愛好者可用的最通用的構建模塊之一。

運算放大器基礎相對簡單，許多電路的電路設計都很容易。

運算放大器開發(fā)

雖然術語運算放大器現(xiàn)在已經完全融入當今的電子術語，但可能無法實現(xiàn)它可以追溯到1947年發(fā)表的論文。這描述了當時使用這些放大器在模擬計算機中進行的工作。

然而，直到20世紀60年代，隨著集成電路技術的廣泛引入，這些放大器的概念才能完全實現(xiàn)。隨著20世紀70年代集成電路技術的進步，運算放大器的使用進一步增加，其余的正如他們所說的那樣是歷史！

現(xiàn)在，運算放大器已成為整個電子行業(yè)使用的基本構件。雖然它們已經存在了一段時間，但似乎它們的使用率幾乎沒有下降。

什么是運算放大器？基礎

運算放大器非常接近具有無限增益的理想放大器。實際上，運算放大器并沒有完全達到完美，但是通常在10萬或更多的區(qū)域內獲得增益，它們足夠接近。

運算放大器有兩個輸入。一個稱為反相輸入，在電路原理圖上標有“ - ”符號。另一個是非反相輸入，標有“+”符號。

運算放大器電路符號

這兩個輸入的名稱來自它們放大信號的方式：

·同相輸入：   運算放大器非反相輸入在電路圖上用“+”符號標記。發(fā)現(xiàn)施加到非反相輸入的正電壓將在輸出處產生正擺動。

·反相輸入：   運算放大器反相輸入在電路圖上標有“ - ”符號。施加到反相輸入的正電壓將在輸出端產生負擺幅。

如果將相同的電壓一起施加到兩個輸入，那么輸出端應該沒有變化。實際上，輸出與反相和非反相輸入之間的差異成比例。正是由于這個原因，這些放大器通常被稱為差分放大器。

像任何電子電路一樣，那些使用運算放大器的電路需要有電源。通常，運算放大器使用雙電源供電，即正電源和負電源。此外，電源線通常不會顯示，因為它們會給電路圖增加混亂。

在大多數(shù)情況下，運算放大器的操作只需要五個連接 - 反相，非反相，輸出和兩個電源軌。偶爾可以使用另外三個。這些通常用于“偏移空”功能。這用于減少可能存在的任何DC偏移，對于大多數(shù)應用，這些可以被忽略并保持斷開狀態(tài)。

運算放大器特性

運算放大器，運算放大器具有許多基本功能，其中一些具有優(yōu)勢，另一些則限制了它們的性能：

運算放大器特性

·非常高的增益：   運算放大器的關鍵屬性之一是它們的增益非常高。典型數(shù)字從大約10 000上升 - 數(shù)字為10萬甚至更多。雖然具有該階次增益水平的開環(huán)放大器幾乎沒有用，但運算放大器能夠利用負反饋來利用非常高的增益水平。以這種方式，增益水平是非常可控的，并且失真水平可以保持非常低。

·高輸入阻抗：   高輸入阻抗是運算放大器的另一個關鍵方面。從理論上講，它們的輸入電阻應該是無限的，而今天使用的運算放大器非常接近這一點，阻抗從0.25MΩ以上到任何地方。一些使用MOSFET輸入級的阻抗為幾百MΩ。

·低輸出阻抗：   運算放大器輸出阻抗也很重要?？梢灶A料，這應該是低的。在理想放大器中，這應該為零，但實際上許多放大器的輸出阻抗小于100歐姆，而且許多放大器的輸出阻抗遠低于此值。也就是說，許多基于IC的運算放大器的驅動能力自然受到限制。

·共模抑制：   運算放大器的另一個重要特性是共模抑制。這指的是將相同信號應用于兩個輸入的情況。在理想的放大器中，在這些情況下輸出端不應該看到輸出，但是放大器永遠不會是完美的。實際共模抑制比是當信號施加到兩個輸入時的輸出電平與僅應用于一個輸入時的輸出之間的比率

·有限的帶寬：   運算放大器的帶寬可以變化很大。理想的放大器將具有無限的帶寬，但是可以想象這將是不可能創(chuàng)建的，并且在實踐中也非常難以使用和馴服。實際上，運算放大器的帶寬有限。用于音頻應用的許多芯片可能僅在相對較小的帶寬上展現(xiàn)其全部增益，此后增益下降。盡管如此，大多數(shù)電路都會降低增益，并在較大的帶寬上保持較低的增益水平。

基本運算放大器電路

雖然運算放大器被廣泛用作放大器，但它們也可以作為許多其他電路的基礎。

當運放電路在放大器周圍放置反饋時，改變這會改變整個電路的特性。改變他的反饋不僅可以改變增益水平，而且可以改變電路的功能 - 只需改變反饋電平，就可以制作微分器，積分器，濾波器，振蕩器，非穩(wěn)態(tài)，多諧振蕩器和更多電路。組態(tài)。

圍繞運算放大器有許多不同的電路。這些通常易于設計和構造。

運算放大器增益

當使用開路或閉路時，運算放大器具有非常不同的增益水平。使用負反饋可提供非?？煽氐脑鲆婧吞匦?。

當在沒有反饋的情況下使用時，即開環(huán)，運算放大器具有非常高的增益水平。

通過使用反饋負反饋，可以精確地控制放大器的增益和其他特性。

通過使用負反饋，開環(huán)運算放大器具有高水平變化的非常高的增益可用于提供非常可重復的增益水平，而不依賴于基本的開環(huán)放大器增益。

運算放大器增益基礎

運算放大器通常與放大器元件本身周圍的反饋一起使用。這可以根據(jù)需要定制性能。有兩種情況可以考慮增益：

·開環(huán)增益：   當沒有反饋應用于運算放大器時，測量這種增益形式。換句話說，它以開環(huán)格式運行。此配置中運算放大器的增益數(shù)值通常非常高，通常在10 000到100 000之間。這是運算放大器本身的增益。

數(shù)字通常在運算放大器數(shù)據(jù)表中以伏特/毫伏V / mV表示。引用這些術語中的增益可以使增益以更方便的格式編寫。10 V / mV對應于10 000的電壓增益。它可以節(jié)省寫入多個零。

·閉環(huán)增益：   當反饋環(huán)路運行時，即閉環(huán)，測量這種增益形式。通過應用負反饋，電路的整體增益大大降低，并且可以精確地定制到所需的電平或產生所需的輸出格式，如濾波器，積分器等。增益通過環(huán)路測量關閉并且如果開環(huán)和閉環(huán)增益之間存在足夠的差異，則電路將根據(jù)其周圍的反饋進行操作。盡管負反饋通常用于模擬電路，但是存在使用正反饋的情況。最常見的應用是比較器，其中兩個級別之一需要輸出。施密特觸發(fā)器是將滯后引入系統(tǒng)的一個示例

廣義運算放大器增益

負反饋用于控制整個運算放大器電路的增益。有許多方法可以應用反饋 - 它可以與頻率無關，或者它可能與頻率有關，例如產生濾波器。

然而，可以產生用于應用負反饋的一般概念。由此可以開發(fā)出更具體的場景。

通用運算放大器負反饋配置

可以計算電路中運算放大器增益的通用公式：

Vsum=Vin?B Vout

然后可以根據(jù)輸入電壓，增益和反饋的知識計算輸出電壓：

Vout=A Vsum=A Vin?A B Vout

現(xiàn)在可以使用它來生成通用閉環(huán)運算放大器增益方程。

Vout/Vin=G=A1 + AB

使用這個通用方程可以為更具體的情景開發(fā)方程。反饋可以是頻率相關的，或根據(jù)需要是平坦的。

使用反饋的op am電路的兩個最簡單的例子是反相和非反相放大器的格式。

反轉運算放大器增益

反相運算放大器電路的電路如下所示。該電路的輸出與輸入的相位相差180度，并提供虛擬接地輸入。

基本的反相運算放大器電路

很容易得出運算放大器增益方程。運算放大器的輸入本身不吸收電流，這意味著流入電阻R1和R2的電流是相同的。使用歐姆定律Vout / R2 = -Vin / R1。因此，電路Av的電壓增益可以取為：

Av=?R2/R1

例如，可以通過使R2為47k歐姆和R1為4.7k歐姆來構建需要增益為10的放大器。

非反相運算放大器增益

非反相運算放大器的電路如下所示。它提供比反相運算放大器電路更高的輸入阻抗。

基本的非反相運算放大器電路

用于運算放大器的非反相電路的增益易于確定。計算取決于兩個輸入端的電壓相同的事實。這是因為放大器的增益非常高。如果電路的輸出保持在放大器的電源軌內，則輸出電壓除以增益意味著兩個輸入之間幾乎沒有差異。

由于運算放大器的輸入不吸收電流，這意味著流入電阻器R1和R2的電流相同。反相輸入端的電壓由一個由R1和R2組成的分壓器構成，當兩個輸入端的電壓相同時，反相輸入端的電壓必須與非反相輸入端的電壓相同。這意味著Vin = Vout×R1 /（R1 + R2）。因此，電路Av的電壓增益的運算放大器增益公式可以取為：

Av=1+R2/R1

例如，可以通過使R2為47k歐姆和R1為4.7k歐姆來構建需要增益為11的放大器。

運算放大器的增益很容易確定。不同電路的計算略有不同，但基本上兩個電路都能提供相似的增益水平，盡管相同的運算放大器增益電阻值不會相同。

在其他情況下運放增益

在具有負反饋的線性應用中使用運算放大器是正常的。這利用開環(huán)放大器的非常高的增益來提供由外部組件控制的可重復性能。

然而，也可以使用具有其他形式的反饋的運算放大器來產生其他效果。通常，這種類型的反饋用于提供切換，對于這種切換，比較器提供更好的性能，因為它們更快地操作并且不受鎖定問題的影響，但這并不意味著正反饋的基本原理不適用。

也就是說，負反饋是模擬線性應用最廣泛使用的反饋形式。

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