运算放大器基础知识：原理和特性

一路上

前言

运算放大器是模拟电子电路的基本组成部分之一，同时它也是一种具有非常高增益的直流差分放大器，使用一个或多个外部反馈网络来控制其响应和特性。我们可以通过多种不同的方式将外部电阻器或电容器连接至运算放大器，以形成基本的“构建模块”电路，例如反相、同相、电压跟随器、求和、差分、积分器和差分器放大器。

运算放大器的介绍

运算放大器是线性器件，具有几乎理想的DC放大所需的所有特性，因此广泛用于信号调理，滤波或执行数学运算。“理想”的运算放大器是具有某些特殊特性的设备，例如无限开环增益A O，无限输入电阻R IN，零输出电阻R OUT，无限带宽0至∞和零偏移。

运算放大器采用单个器件内的单双或四运算放大器的IC封装。普通运算放大器中最常用和使用的是行业标准μA-741。
在标准配置或内部结型FET晶体管中，有大量的运算放大器IC可满足各种可能的应用，包括标准双极、精密、高速、低噪声、高压等各种应用。

运算放大器，从根本上是一个电压放大装置设计成与外部反馈组件，诸如其输出和输入端子之间的电阻器和电容器被使用。这些反馈分量决定了放大器的最终功能或“操作”，并且借助电阻、电容或两者的不同反馈配置，放大器可以执行各种不同的操作，因此得名“运算放大器”。

一个运算放大器基本上是它由两个高阻抗输入的三端子装置。输入之一称为反相输入，标有负号或“-”号。另一个输入被称为同相输入，标有正或“+”号。

第三个端子代表运算放大器的输出端口，它既可以吸收也可以提供电压或电流。在线性运算放大器中，输出信号是放大系数，称为放大器增益（A）乘以输入信号的值，并且根据这些输入和输出信号的性质，可以有四种不同的运算类别。放大器增益。

电压：电压“输入”和电压“输出”；
当前：当前“输入”和当前“输出”；
跨导：电压“输入”和电流“输出”；
跨阻：电流“输入”和电压“输出”。

由于涉及运算放大器的大多数电路都是电压放大器，因此我们将本节中的教程仅限于电压放大器（Vin和Vout）。

运算放大器的输出电压信号是施加到其两个单独输入的信号之间的差。换句话说，运算放大器的输出信号是两个输入信号之间的差，因为运算放大器的输入级实际上是一个差分放大器，如下所示。

差动放大器

下面的电路显示了差分放大器的一般形式，其中两个输入标记为V1和V2。两个相同的晶体管TR1和TR2都在相同的工作点偏置，其发射极连接在一起，并通过电阻Re返回到共轨-Vee。

该电路采用双电源+ Vcc和-Vee供电，以确保恒定电源。放大器的输出端Vout上出现的电压是两个输入信号之间的差，因为两个基极输入彼此反相。

因此，随着晶体管TR1的正向偏置增大，晶体管TR2的正向偏置减小，反之亦然。然后，如果两个晶体管完全匹配，则流过公共发射极电阻Re的电流将保持恒定。

像输入信号一样，输出信号也是平衡的，并且由于集电极电压沿相反方向（反相）或沿相同方向（同相）摆动，因此从两个集电极之间获取的输出电压信号为一个完美平衡的电路，两个集电极电压之间的零差。

这被称为共模操作，当输入为零时，放大器的共模增益为输出增益。

运算放大器还具有一个低阻抗的输出（尽管有一个输出带有一个额外的差分输出），该输出以一个公共接地端为参考，并且它应忽略任何共模信号，也就是说，如果将同一个信号同时应用于反相和反相，则运算放大器应该忽略任何共模信号。同相输入，输出应保持不变。

但是，在实际放大器中，总会有一些变化，并且相对于共模输入电压的变化，输出电压的变化比简称为共模抑制比或CMRR。

运算放大器本身具有很高的开环直流增益，通过施加某种形式的负反馈，我们可以生产出一种运算放大器电路，其电路具有非常精确的增益特性，该特性仅取决于所使用的反馈。注意，术语“开环”意味着在放大器周围没有使用反馈组件，因此反馈路径或环路是开路的。

运算放大器仅响应其两个输入端子上的电压差（通常称为“差分输入电压”），而不响应其公共电位。然后，如果将相同的电势施加到两个端子，则最终输出将为零。运算放大器的增益通常称为开环差分增益，并赋予符号（Ao）。

理想运算放大器的等效电路

运算放大器参数和理想特性

开环增益（Avo）：运算放大器的主要功能是放大输入信号，开环增益越大越好。开环增益是没有正反馈或负反馈的运算放大器的增益，对于这样的放大器，增益将是无限的，但典型的实际值范围约为20000至200000。

输入阻抗（Z IN）：输入阻抗是输入电压与输入电流的比率，假定为无限，以防止任何电流从源电源流入放大器的输入电路（I IN = 0）。实际运算放大器的输入泄漏电流从几微微安至几毫安。

输出阻抗（Z OUT）：理想的运算放大器的输出阻抗假定为零，可以用作没有内部电阻的理想内部电压源，因此它可以向负载提供所需的电流。该内部电阻有效地与负载串联，从而降低了负载可用的输出电压。实际运算放大器的输出阻抗为100-20kΩ。

带宽（BW）：理想的运算放大器具有无限的频率响应，并且可以将任何频率信号从DC放大到最高AC频率，因此可以假定它具有无限的带宽。对于实际的运算放大器，带宽受增益带宽乘积（GB）的限制，该乘积等于放大器增益变为单位的频率。

失调电压（V IO）：当反相输入和同相输入之间的电压差为零，相同或两个输入都接地时，放大器的输出将为零。实际运算放大器具有一定的输出失调电压。

从上面的这些“理想化”特性，我们可以看到输入电阻是无限的，因此没有电流流入任何一个输入端子（“电流规则”），并且差分输入失调电压为零（“电压规则”）。重要的是要记住这两个属性，因为它们将帮助我们了解运算放大器在运算放大器电路的分析和设计方面的工作原理。

但是，实际的运算放大器（例如，通用的uA741）不具有无限的增益或带宽，而具有典型的“开环增益”，其定义为放大器在不连接任何外部反馈信号的情况下输出放大信号，对于典型的运算放大器在DC（0Hz）时约为100dB。该输出增益在大约1MHz处随频率下降到“单位增益”或1呈线性下降，这在下面的开环增益响应曲线中显示。

开环频率响应曲线

从该频率响应曲线可以看出，增益与频率的乘积在曲线的任何一点都是恒定的。同样，单位增益（0dB）频率也决定了曲线上任何一点的放大器增益。该常数通常称为增益带宽积或GBP。因此：

GBP =收益x带宽= A x BW

例如，从上方的图表中，放大器在100kHz的增益为20dB或10，则增益带宽乘积的计算公式为：

GBP = A x BW = 10 x 100,000Hz = 1000000。

同样，运算放大器的增益为1kHz = 60dB或1000，因此GBP为：

GBP = A x BW = 1000 x 1000Hz = 1000000，两者相同。

运算放大器的电压增益（AV）可使用以下公式：

放大倍数（dB）被给定为：

运算放大器的带宽

运算放大器的带宽是该放大器的电压增益高于其最大输出值的70.7％或-3dB（其中0dB为最大值）的频率范围，如下所示。

这里我们以40dB线路为例。频率响应曲线的-3dB或Vmax下降点的70.7％为37dB。穿过一条线直到它与主要GBP曲线相交，可以在12kHz至15kHz处获得一个略高于10kHz线的频率点。现在，我们已经知道放大器的GBP，在这种情况下为1MHz，因此我们可以更精确地计算出该值。

运算放大器示例：

使用公式20 log（A），我们可以将放大器的带宽计算为：

37 = 20 log（A）因此，A =反对数（37÷20）= 70.8

GBP÷A =带宽，因此1000000÷70.8 = 14,124Hz或14kHz

然后，如先前从该图所预测的，放大器在40dB增益处的带宽为14kHz。

如果在上述频率响应曲线中将运算放大器的增益降低一半，例如20dB，则-3dB点将变为17dB。然后，这将使运算放大器的整体增益为7.08，因此A = 7.08。

如果我们使用与上述相同的公式，那么这个新增益将为我们提供大约141.2kHz的带宽，比40dB点处给出的频率高十倍。因此，可以看出，通过降低运算放大器的整体“开环增益”，带宽会增加，反之亦然。

换句话说，运算放大器的带宽与其增益（A 1/∞ BW）成反比。此外，由于放大器的输出功率为其最大值的一半，因此，该-3dB拐角频率点通常称为“半功率点”，如下所示：

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