運(yùn)算放大器(op amp)是一種模擬電路模塊，它采用差分電壓輸入，產(chǎn)生單端電壓輸出。運(yùn)算放大器通常有三個(gè)端子：兩個(gè)高阻抗輸入端子和一個(gè)低阻抗輸出端子。反相輸入用負(fù)號(hào)(-)表示，同相輸入用正號(hào)(+)表示。運(yùn)算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對(duì)于信號(hào)鏈、電源和控制應(yīng)用等各種模擬功能非常有用。

運(yùn)算放大器是什么?

運(yùn)算放大器(op amp)是一種模擬電路模塊，它采用差分電壓輸入，產(chǎn)生單端電壓輸出。

運(yùn)算放大器通常有三個(gè)端子：兩個(gè)高阻抗輸入端子和一個(gè)低阻抗輸出端子。反相輸入用負(fù)號(hào)(-)表示，同相輸入用正號(hào)(+)表示。運(yùn)算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對(duì)于信號(hào)鏈、電源和控制應(yīng)用等各種模擬功能非常有用。

運(yùn)算放大器的分類

有四種方法可以對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行分類：

● 吸收電壓并在輸出端產(chǎn)生電壓的電壓放大器。

● 接收電流輸入并產(chǎn)生電流輸出的電流放大器。

● 將電壓輸入轉(zhuǎn)換為電流輸出的跨導(dǎo)放大器。

● 將電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出的跨阻放大器。

大多數(shù)運(yùn)算放大器都用于電壓放大，因此本文將重點(diǎn)介紹電壓放大器。運(yùn)算放大器：關(guān)鍵特性和參數(shù) 運(yùn)算放大器有很多重要特性和參數(shù)(見圖1)，下面將做詳細(xì)描述。

圖1：運(yùn)算放大器原理圖

開環(huán)增益

開環(huán)增益：運(yùn)算放大器的開環(huán)增益中的(圖1中的“A” ) 是電路無反饋時(shí)所測(cè)得的增益。開環(huán)意味著反饋路徑即反饋環(huán)路開路。開環(huán)增益通常必須非常大(10,000+)才能發(fā)揮作用，但電壓比較器除外。

電壓比較器比較輸入端子之間的電壓。輸入端子之間很小的電壓差，都可引起輸出正負(fù)電壓軌的翻轉(zhuǎn)。高開環(huán)增益在閉環(huán)配置中非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽谡麄€(gè)溫度、工藝和信號(hào)變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電路性能。

輸入阻抗

運(yùn)算放大器的另一個(gè)重要特性是它們通常具有高輸入阻抗 (圖1中的“ZIN”). 輸入阻抗在正負(fù)輸入端子之間測(cè)得，理想情況下，輸入阻抗無窮大，使源負(fù)載盡可能小(實(shí)際上輸入端會(huì)有很小的漏電流)。在運(yùn)算放大器周圍布放電路可能會(huì)明顯改變電源的有效輸入阻抗，因此必須謹(jǐn)慎配置外部組件和反饋環(huán)路。還有一點(diǎn)也很重要，輸入阻抗不僅僅由輸入直流電阻決定，輸入電容也會(huì)影響電路性能，必須考慮到這一點(diǎn)。

輸出阻抗

理想情況下，運(yùn)算放大器的輸出阻抗為零 (圖一中的“ZOUT”)。但實(shí)際上輸出阻抗通常具有較小的值，這決定了它的電流驅(qū)動(dòng)和電壓緩沖能力。

頻率響應(yīng)和帶寬(BW)

理想的運(yùn)算放大器具有無窮大的帶寬(BW)，并且無論信號(hào)頻率如何變化，都能保持高增益。但實(shí)際上所有運(yùn)算放大器都具有有限的帶寬，通常稱為“ -3dB”帶寬，超過該帶寬，放大器的增益以-20dB / decade的速率隨頻率增加而下降。具有較高帶寬的運(yùn)算放大器性能也更優(yōu)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谳^高的頻率下仍可保持較高增益，但較高的增益也會(huì)導(dǎo)致更大功耗或更高的成本。

圖2：運(yùn)算放大器的開環(huán)頻率響應(yīng)曲線

增益帶寬積(GBP)

顧名思義，GBP是放大器增益和帶寬的乘積。GBP是整個(gè)曲線上的常數(shù)，可以通過公式(1)來計(jì)算：

GBP是在運(yùn)算放大器的增益達(dá)到單位增益的頻率點(diǎn)測(cè)得。用戶可以用它來計(jì)算不同頻率下設(shè)備的開環(huán)增益。GBP通常用于衡量一個(gè)運(yùn)放是否有用并衡量其性能，因?yàn)榫哂休^高GBP的運(yùn)算放大器可在較高頻率下提供更佳性能。

這些都是在設(shè)計(jì)中選擇運(yùn)算放大器時(shí)要考慮的主要參數(shù)，但根據(jù)應(yīng)用和性能需求，還有許多其他參數(shù)也會(huì)影響設(shè)計(jì)選擇，如輸入失調(diào)電壓、噪聲、靜態(tài)電流和電源電壓等。

負(fù)反饋和閉環(huán)增益

在運(yùn)算放大器中，負(fù)反饋是通過將一部分輸出信號(hào)通過外部反饋電阻器饋送回反相輸入端來實(shí)現(xiàn)的 (見圖3)。

圖3：反相運(yùn)算放大器的負(fù)反饋

負(fù)反饋用于穩(wěn)定增益。通過使用負(fù)反饋，閉環(huán)增益可以通過外部反饋組件來確定，它比通過運(yùn)算放大器內(nèi)部組件確定增益具有更高的精度。因?yàn)閮?nèi)部運(yùn)算放大器組件可能由于工藝變化、溫度變化、電壓變化和其他因素而差異很大。閉環(huán)增益可通過公式(2)來計(jì)算：

運(yùn)算放大器：優(yōu)點(diǎn)和局限性

使用運(yùn)算放大器有很多好處。它通常以IC的形式出現(xiàn)，很容易購買，有無數(shù)種可選的性能規(guī)格，可以滿足所有應(yīng)用需求。它用途廣泛，是許多模擬應(yīng)用(包括濾波器設(shè)計(jì)、電壓緩沖器，比較器電路及許多其他應(yīng)用)的關(guān)鍵組成部分。此外，大多數(shù)公司都提供仿真支持，例如PSPICE模型，可以供設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建實(shí)際設(shè)計(jì)之前驗(yàn)證其運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。

其局限性在于它們是模擬電路，它要求設(shè)計(jì)人員了解模擬基本原理，如負(fù)載、頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性等。設(shè)計(jì)一個(gè)看似簡(jiǎn)單的運(yùn)放電路，最后卻出現(xiàn)振蕩，這種情況并不少見。設(shè)計(jì)人員必須了解前文討論的這些關(guān)鍵參數(shù)，了解它們?nèi)绾斡绊懺O(shè)計(jì)，這也通常意味著設(shè)計(jì)人員必須具備中上水平的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

運(yùn)算放大器配置拓?fù)?/p>

運(yùn)算放大器有多種不同的電路拓?fù)?，各具不同的功能。最常見的拓?fù)涿枋鋈缦隆?/p>

電壓跟隨器

最基本的運(yùn)算放大器電路是電壓跟隨器(參見圖4)。這種電路通常不需要外部組件，它提供高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此是很有用的緩沖器。其輸入和輸出電壓相等，輸入變化會(huì)產(chǎn)生等效的輸出電壓變化。

圖4: 電壓跟隨器

電子設(shè)備中最常用的運(yùn)算放大器是電壓放大器，它可以增加輸出電壓的幅度。反相配置和同相配置是兩種最常見的放大器配置。這兩種拓?fù)涠紴殚]環(huán)，這意味著輸出端有反饋返回到輸入端子，因此電壓增益由兩個(gè)電阻的比率設(shè)定。

反相運(yùn)算放大器

在反相運(yùn)算放大器中，正輸入端通常接地，負(fù)輸入端子被強(qiáng)制等于正輸入端。其輸入電流由VIN / R1之比決定 (見圖5)。

圖5: 反相運(yùn)算放大器

在這種配置中，相同的電流通過R2流至輸出。理想情況下，由于其高ZIN，電流不會(huì)流入運(yùn)算放大器的負(fù)端子。通過R2流經(jīng)負(fù)端子的電流產(chǎn)生相對(duì)于VIN的反相電壓極性。這就是為什么這種運(yùn)算放大器被稱為反相配置的原因。請(qǐng)注意，運(yùn)算放大器的輸出只能在其正電源和負(fù)電源之間擺動(dòng)，因此要產(chǎn)生負(fù)輸出電壓，就需要一個(gè)具有負(fù)電源軌的運(yùn)算放大器。VOUT可用 公式(3)來計(jì)算：

同相運(yùn)算放大器

在同相放大器電路中，來自電源的輸入信號(hào)連接到同相(+)端子(請(qǐng)參見圖6)。

圖6: 同相運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器迫使反相(-)端子電壓等于輸入電壓，從而產(chǎn)生流經(jīng)反饋電阻的電流。輸出電壓始終與輸入電壓同相，這就是為什么將此拓?fù)浞Q為同相的原因。請(qǐng)注意，對(duì)于同相放大器，電壓增益始終大于1，而對(duì)于反相配置，則并非總是如此。VOUT可用 公式(4)來計(jì)算：:

電壓比較器

運(yùn)算放大器電壓比較器可以比較電壓輸入，并將輸出驅(qū)動(dòng)到輸入較高的電源軌上。由于沒有反饋，這種配置被認(rèn)為是開環(huán)操作。電壓比較器的優(yōu)勢(shì)是運(yùn)行速度比上述閉環(huán)拓?fù)淇旌芏?見圖7)。

圖7: 電壓比較器

如何選擇適合應(yīng)用的運(yùn)算放大器

以下內(nèi)容介紹如何選擇運(yùn)算放大器才能適合您的應(yīng)用。

首先， 選擇一個(gè)可以滿足您需要的工作電壓范圍的運(yùn)算放大器。通過查看放大器的電源電壓可以獲得此信息。電源電壓可能為VDD(+)和地(單電源)，也可能放大器同時(shí)支持正電源和負(fù)電源。如果輸出需要支持負(fù)電壓，則需要負(fù)電源。

其次，考慮放大器的GBP。如果您的應(yīng)用需要支持較高頻率，或需要較高性能和較低失真，則考慮使用具有較高GBP的運(yùn)算放大器。

功耗是另一個(gè)需要考慮的因素，因?yàn)槟承?yīng)用可能需要低功耗操作。通常在器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以找到建議的功率要求，通常列為電源電流和功耗。功耗也可以根據(jù)電源電流和電源電壓的乘積來估算。通常，具有較低電源電流的運(yùn)算放大器具有較低的GBP，當(dāng)然電路性能也較差。對(duì)于要求較高精度的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別注意放大器的輸入失調(diào)電壓，因?yàn)樵撾妷簳?huì)導(dǎo)致放大器的輸出電壓失調(diào)。

總結(jié)

運(yùn)算放大器在許多模擬和電源應(yīng)用中都被廣泛使用。其好處在于，它很常見、文檔和技術(shù)支持都很成熟，而且非常容易使用和實(shí)現(xiàn)。它可用于多種應(yīng)用，例如電壓緩沖器、創(chuàng)建模擬濾波器和閾值檢測(cè)器。深入了解運(yùn)算放大器相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)和通用拓?fù)?，可以幫助您在電路中成功?yīng)用它。

審核編輯：湯梓紅

?