運算放大器的概念

運算放大器(常簡稱為“運放”)是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現數學運算，故得名“運算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在?，F今運放的種類繁多，廣泛應用于幾乎所有的行業(yè)當中。

目前運算放大器主體部分已集成化, 故運算放大器也稱為集成放大電路,采用半導體制造工藝將二極管,三級管,電阻等元件及它們之間的邊線,集成在一塊半導體基片上,構成一個具有特定功能的完整電路系統(tǒng)。

其實內部是一個高放大倍數的直接耦合放大電路,內部一般包括:輸入級,中間級,輸出級和偏置電路四部分.它們的關系可表示如下圖:運算放大器的主要特點

運算放大器的主要特點是電壓增益大,輸入電阻大,輸出電阻小。

運算放大器的分類

有兩種分類方法,分別為按特性不同分和按結構不同分,具體內容可以用圖表示如下:

運算放大器的特點

(1)集成運算放大器采用直接耦合放大電路,對直流信號和交流信號都有放大作用.

(2)為克服零漂現象,提高共模抑制比,輸入端全部采用差分放大電路,并采用恒流源供電.

(3)采用復合管提高電路的增益.

(4)電路中的無源器件多用有源器件來代替.

(5)總結可得最重要的三個特性是:1,高輸入阻抗;2,高電壓增益;3,低輸出阻抗.

運算放大器的主要技術指標

集成運放的性能指標較多,可主要常用的幾種有:

(1)開環(huán)差模電路增益 (2)輸入失調電壓及失調電壓溫漂 (3)輸入失調電流及失調電流溫漂 (4)差模輸入電阻 (5)輸入電阻 (6)共模抑制比 (7)截止頻率 (8)轉換速率

運算放大器的功能

運放有相加、相 減、比例放大、積分微分等運算功能,運放可以構成的簡單高通、低通濾波器?？梢灾瞥刹ㄐ伟l(fā)生器。

運算放大器是差分輸入、單端輸出的極高增益放大器，常用于高精度模擬電路，因此必須精確測量其性能。但在開環(huán)測量中，其開環(huán)增益可能高達 107或更高，而拾取、雜散電流或塞貝克(熱電偶)效應可能會在放大器輸入端產生非常小的電壓，這樣誤差將難以避免。

通過使用伺服環(huán)路，可以大大簡化測量過程，強制放大器輸入調零，使得待測放大器能夠測量自身的誤差。圖 1 顯示了一個運用該原理的多功能電路，它利用一個輔助運放作為積分器，來建立一個具有極高直流開環(huán)增益的穩(wěn)定環(huán)路。開關為執(zhí)行下面所述的各種測試提供了便利。

所示電路能夠將大部分測量誤差降至最低，支持精確測量大量直流和少量交流參數。附加的“輔助”運算放大器無需具有比待測運算放大器更好的性能，其直流開環(huán)增益最好能達到106或更高。如果待測器件(DUT)的失調電壓可能超過幾mV，則輔助運放應采用±15 V電源供電(如果DUT的輸入失調電壓可能超過 10 mV，則需要減小 99.9 k?電阻R3 的阻值。)

DUT 的電源電壓+V 和–V 幅度相等、極性相反?？傠娫措妷豪硭斎皇?2 × V。該電路使用對稱電源，即使“單電源”運放也是如此，因為系統(tǒng)的地以電源的中間電壓為參考。

作為積分器的輔助放大器在直流時配置為開環(huán)(最高增益)，但其輸入電阻和反饋電容將其帶寬限制為幾 Hz。這意味著，DUT 輸出端的直流電壓被輔助放大器以最高增益放大，并通過一個 1000:1 衰減器施加于 DUT 的同相輸入端。負反饋將DUT 輸出驅動至地電位。(事實上，實際電壓是輔助放大器的失調電壓，更精確地說是該失調電壓加上輔助放大器的偏置電流在 100 k? 電阻上引起的壓降，但它非常接近地電位，因此無關緊要，特別是考慮到測量期間此點的電壓變化不大可能超過幾 mV)。

測試點 TP1 上的電壓是施加于 DUT 輸入端的校正電壓(與誤差在幅度上相等)的 1000 倍，約為數十 mV 或更大，因此可以相當輕松地進行測量。

理想運算放大器的失調電壓(Vos)為 0，即當兩個輸入端連在一起并保持中間電源電壓時，輸出電壓同樣為中間電源電壓?，F實中的運算放大器則具有幾微伏到幾毫伏不等的失調電壓，因此必須將此范圍內的電壓施加于輸入端，使輸出處于中間電位。

給出了最基本測試——失調電壓測量的配置。當 TP1 上的電壓為 DUT 失調電壓的 1000 倍時， DUT 輸出電壓處于地電位。

失調電壓測量

理想運算放大器具有無限大的輸入阻抗，無電流流入其輸入端。但在現實中，會有少量“偏置”電流流入反相和同相輸入端(分別為Ib–和Ib+)，它們會在高阻抗電路中引起顯著的失調電壓。根據運算放大器類型的不同，這種偏置電流可能為幾fA( 1 fA = 10–15 A，每隔幾微秒流過一個電子)至幾nA;在某些超快速運算放大器中，甚至達到 1 - 2 μA。圖 3 顯示如何測量這些電流。

圖 3. 失調和偏置電流測量

該電路與圖 2 的失調電壓電路基本相同，只是DUT輸入端增加了兩個串聯電阻R6 和R7。這些電阻可以通過開關S1 和S2短路。當兩個開關均閉合時，該電路與圖 2 完全相同。當S1斷開時，反相輸入端的偏置電流流入Rs，電壓差增加到失調電壓上。通過測量TP1 的電壓變化(=1000 Ib–×Rs)，可以計算出Ib–。同樣，當S1 閉合且S2 斷開時，可以測量Ib+。如果先在S1 和S2 均閉合時測量TP1 的電壓，然后在S1 和S2 均斷開時再次測量TP1 的電壓，則通過該電壓的變化可以測算出“輸入失調電流” Ios，即Ib+與Ib–之差。 R6 和R7 的阻值取決于要測量的電流大小。

如果Ib的值在 5 pA左右，則會用到大電阻，使用該電路將非常困難，可能需要使用其它技術，牽涉到Ib給低泄漏電容(用于代替Rs)充電的速率。

當S1 和S2 閉合時， Ios仍會流入 100 ?電阻，導致Vos誤差，但在計算時通?？梢院雎运?，除非Ios足夠大，產生的誤差大于實測Vos的 1%。

運算放大器的開環(huán)直流增益可能非常高， 107以上的增益也并非罕見，但 250,000 到 2,000,000 的增益更為常見。直流增益的測量方法是通過S6 切換DUT輸出端與 1 V基準電壓之間的R5，迫使DUT的輸出改變一定的量(圖 4 中為 1 V，但如果器件采用足夠大的電源供電，可以規(guī)定為 10 V)。如果R5處于+1 V，若要使輔助放大器的輸入保持在 0 附近不變，DUT輸出必須變?yōu)楱C1 V。

圖 4. 直流增益測量

TP1 的電壓變化衰減 1000:1 后輸入 DUT，導致輸出改變 1 V，由此很容易計算增益(= 1000 × 1 V/TP1)。

為了測量開環(huán)交流增益，需要在 DUT 輸入端注入一個所需頻率的小交流信號，并測量相應的輸出信號(圖 5 中的 TP2)。完成后，輔助放大器繼續(xù)使 DUT 輸出端的平均直流電平保持穩(wěn)定。

圖 5. 交流增益測量

圖 5 中，交流信號通過 10,000:1 的衰減器施加于 DUT 輸入端。對于開環(huán)增益可能接近直流值的低頻測量，必須使用如此大的衰減值。(例如，在增益為 1,000,000 的頻率時， 1 V rms 信號

會將 100 μV 施加于放大器輸入端，放大器則試圖提供 100 Vrms 輸出，導致放大器飽和。)因此，交流測量的頻率一般是幾百 Hz 到開環(huán)增益降至 1 時的頻率;在需要低頻增益數據時，應非常小心地利用較低的輸入幅度進行測量。所示的簡單衰減器只能在 100 kHz 以下的頻率工作，即使小心處理了雜散電容也不能超過該頻率。如果涉及到更高的頻率，則需要使用更復雜的電路。

運算放大器的共模抑制比(CMRR)指共模電壓變化導致的失調電壓視在變化與所施加的共模電壓變化之比。在 DC 時，它一般在 80 dB 至 120 dB 之間，但在高頻時會降低。

差分運算放大器(Differential Amplifier)就是一種能夠放大兩個輸入信號差值的電子器件，可以在許多電路中起到重要的作用。

差分運算放大器的工作原理非常簡單。它有兩個輸入端口，分別稱為非反相輸入端口和反相輸入端口。當兩個輸入信號的電壓不同時，差分運算放大器會將它們的差值放大，這也是它得名的原因。

差分運算放大器在電路中有廣泛的應用。比如，在音頻放大器中，差分運算放大器可以用來減少噪聲，提高音質。在測量系統(tǒng)中，它可以用來放大微弱的信號，提高系統(tǒng)的靈敏度。在模擬信號處理電路中，它可以用來進行濾波、放大、采樣等操作。

差分運算放大器的優(yōu)勢還不止于此。它還具有高增益、低噪聲、高輸入阻抗等特點，能夠幫助工程師們處理復雜的信號。

那么差分運算放大器的應用場景有哪些呢?它可以用來進行信號放大。比如，當你需要將微弱的信號放大到足以被其他電路處理時，就可以使用差分運算放大器。它可以用來進行信號濾波。比如，當你需要在電路中去除某些頻率的噪聲時，就可以使用差分運算放大器來濾波。它還可以用來進行信號采樣、比較等操作。

當然，差分運算放大器也有一些限制。比如，它對輸入信號的共模電壓有一定的要求，如果共模電壓太高，就會影響放大器的工作。它還需要外部電路來進行電源濾波、反饋控制等操作，需要一些的知識來進行設計和調試。

總體來說，差分運算放大器是一種非常有用的電子器件，可以幫助工程師們處理復雜的信號。如果你需要進行信號處理，那么差分運算放大器一定是你不可或缺的好幫手!