1 什么是運算放大器

運算放大器(運放)用于調節和放大模擬信號，運放是一個內含多級放大電路的集成器件，如圖所示：

左圖為同相位，Vn端接地或穩定的電平，Vp端電平上升，則輸出端Vo電平上升，Vp端電平下降，則輸出端Vo電平下降；右圖為反相位，Vp端接地或穩定的電平，Vn端電平上升，則輸出端Vo電平下降，Vn端電平下降，則輸出端Vo電平上升

2 運算放大器的性質

理想運算放大器具備以下性質：

無限大的輸入阻抗： 理想的運算放大器輸入端不容許任何電流流入，即輸入信號V+與V-兩端點的電流信號恒為零，即輸入阻抗無限大

趨近于零的輸出阻抗： 理想運算放大器的輸出端是一個完美的電壓源，無論流至放大器負載的電流如何變化，放大器的輸出電壓恒為一定值，即輸出阻抗為零

無限大的開回路增益： 理想運算放大器的開回路的狀態下，輸入端的差動信號有無限大的電壓增益，這個特性使得運算放大器十分適合在實際應用時加上負反饋組態

無限大的共模抑制比： 理想運算放大器只能對V+與V-兩端點電壓的差值(差分信號)有反應，即只放大V + ? V ? 的部份。對于兩輸入信號的相同的部分(共模信號)將完全忽略不計

共模信號：雙端輸入時，兩個信號相同。差模信號：雙端輸入時，兩個信號的相位相差180度

集成運算放大器有兩種工作狀態：

線性狀態和非線性狀態，當給集成運算放大器加上負反饋電路時，工作在線性狀態，如果給集成運算放大器加正反饋電路或當其在開環工作時，工作在非線性狀態

工作在線性狀態的集成運算放大器有以下特點：

具有虛斷特性及流入和流出輸入端的電流都為0，I-=I+=0A

具有虛短的特性及兩個輸入端的電壓相等，U+=U-

虛短和虛斷

虛短： 集成運算放大器的開環放大倍數很大，一般通用型的運算放大器的開環電壓放大倍數都在80dB以上，但是運放的輸出電壓是有限制的，一般 在10V～14V，然而運放的差模輸入電壓不足1 mV，因此可以輸入兩端可以近似等電位，就相當于短路。 開環電壓放大倍數越大，兩輸入端的電位越接近相等，這種特性稱之為虛短

虛斷： 集成運算放大器具有輸入高阻抗的特性，一般同向輸入端和反向輸入端的輸入電阻都在1MΩ以上，所以輸入端流入運放的電流往往小于1uA，遠小于輸入端外電路的電流。所以這里通常可把運放的兩輸入端視為開路，并且運放的輸入電阻越大，同向和反向輸入兩端越接近開路。在運放處于線性狀態時，根據這個特性可以把兩輸入端視為等效開路，簡稱虛斷

工作在非線性狀態的集成運算放大器具有以下特點：

當同相輸入端電壓大于反向輸入端電壓時，輸出電壓為高電平

當同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓時，輸出電壓為低電平

3 運算放大器的分類

運算放大器按參數可分類為如圖所示：

通用型運算放大器： 價格低廉，其性能指標適合于一般應用場景，常用型號LM358、LM324

低溫漂型運算放大器： 在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化，常用型號OP07、AD508

高精度運算放大器： 受溫度影響小，噪聲低，靈敏度高，適合微小信號放大，常用型號CF725M

高阻型運算放大器： 差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般Rid＞1GΩ~1TΩ，Ib為幾皮安到幾十皮安，常用型號LF355、CA3130

高速型運算放大器： 具有高的轉換速率和寬的頻率響應，用于快速A/D和D/A轉換器，常用型號LM318、AD8052

低功耗型運算放大器： 低電源電壓供電、低功率消耗，常用型號LM321、AD849

高壓大功率型運算放大器： 運放的輸出電壓受供電電源的限制，普通運放若要提高輸出電壓或增大輸出電流，需要加輔助電路。高壓大功率運放外部不需要任何電流，即可輸出高電壓和大電流，常用型號PA44、A791

可編程控制運算放大器： 放大倍數可變，常用型號PGA103A、LTC6910

4 運算放大器的參數

共模輸入電阻： 表示運算放大器工作在線性區時，輸入共模電壓范圍與該范圍內偏置電流的變化量之比

直流共模抑制： 用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信號的抑制能力

交流共模抑制： 用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信號的抑制能力

增益帶寬積： 是個常量，定義在開環增益隨頻率變化的特性曲線中以(-20dB/10倍頻程)滾降的區域

輸入偏置電流： 指運算放大器工作在線性區時流入輸入端的平均電流

偏置電流溫漂： 輸入偏置電流在溫度變化時產生的變化量

輸入失調電流： 流入兩個輸入端的電流之差

輸入失調電流溫漂： 輸入失調電流在溫度變化時產生的變化量

差模輸入電阻： 輸入電壓的變化量與相應的輸入電流變化量之比，電壓的變化導致電流的變化

輸出阻抗： 運算放大器工作在線性區時，輸出端的內部等效小信號阻抗

輸出電壓擺幅： 輸出信號不發生鉗位的條件下能夠達到的最大電壓擺幅的峰值

功耗： 在給定電源電壓下所消耗的靜態功耗

電源抑制比： 衡量電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力

轉換速率： 輸出電壓的變化量與發生變化所需要時間之比的最大值

電源電流： 指定電源電壓下器件消耗的靜態電流

單位增益帶寬： 開環增益大于1時運算放大器的最大工作頻率

輸入失調電壓： 表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差

輸入失調電壓溫漂： 指溫度變化引起的輸入失調電壓的變化

輸入電容： 表示運算放大器工作在線性區時任何一個輸入端的等效電容

輸入電壓范圍： 運算放大器正常工作時，允許輸入電壓的范圍

輸入電壓噪聲密度： 可以看作是連接到任意一個輸入端的串聯噪聲電壓源

輸入電流噪聲密度： 可以看作是兩個噪聲電流源，連接到每個輸入端和公共端

5 運算放大器的應用

反相放大電路如圖所示：

反相放大電路輸入輸出電壓關系：

同相放大電路如圖所示：

同相放大電路輸入輸出電壓關系：

加法電路如圖所示：

加法電路輸入輸出電壓關系：

減法電路如圖所示：

減法電路輸入輸出電壓關系：

積分電路如圖所示：

積分電路輸入輸出電壓關系：

微分電路如圖所示：

微分電路輸入輸出電壓關系：

差分放大電路如圖所示：

差分放大電路輸入輸出電壓關系：

電壓跟隨器如圖所示：

電磁采樣放大電路如圖所示：

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