一、運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)介

工程師目前可以使用數(shù)千種不同的運(yùn)算放大器 IC。使用術(shù)語(yǔ)“運(yùn)算放大器”來(lái)識(shí)別所有這些設(shè)備有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)閷?shí)際上它們形成了一組不同的組件。另一方面，運(yùn)算放大器始終表現(xiàn)出各種基本特性，因此它們代表了一個(gè)相當(dāng)統(tǒng)一的組件類別。

我們?yōu)槭裁匆褂眠\(yùn)算放大器?

在我們開始探索運(yùn)算放大器的定義電氣特性之前，我們需要了解為什么這些組件如此受歡迎和有效。

幾十年來(lái)，運(yùn)算放大器已經(jīng)大量生產(chǎn)，因此工程師可以使用大量多樣化的部件，這些部件既可以提供低成本又具有高性能。

運(yùn)算放大器用途極其廣泛。很難想到一個(gè)模擬電路既不能使用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也不能通過(guò)添加運(yùn)算放大器來(lái)改進(jìn)。

圍繞運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路比使用分立晶體管容易得多。運(yùn)算放大器的電氣特性導(dǎo)致假設(shè)簡(jiǎn)化，并且在許多應(yīng)用中，這些假設(shè)不會(huì)導(dǎo)致理論電路與實(shí)際電路之間存在顯著差異。

運(yùn)算放大器電路符號(hào)

簡(jiǎn)化的、理想化的運(yùn)算放大器是一個(gè)三端器件。

左邊的兩個(gè)端子是輸入，右邊的端子是輸出。注意輸入端有不同的標(biāo)簽：加號(hào)表示同相輸入端，減號(hào)表示反相輸入端。

真正的運(yùn)算放大器至少需要五個(gè)端子——兩個(gè)輸入、一個(gè)輸出和兩個(gè)電源連接：

雙電源運(yùn)算放大器電路(左側(cè))使用正電源電壓和負(fù)電源電壓。在單電源配置(右側(cè))中，負(fù)電源端子接地。

在繪制運(yùn)算放大器時(shí)，我們通常會(huì)省略電源端子，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)該器件已連接到電源電壓，從而能夠在給定應(yīng)用的上下文中正常運(yùn)行。然而，重要的是要記住運(yùn)算放大器的輸出電壓范圍受其電源電壓的限制。

運(yùn)算放大器電氣模型

典型運(yùn)算放大器的理想輸入輸出關(guān)系如下圖所示：

盡管實(shí)際運(yùn)算放大器中存在復(fù)雜的電路，但我們可以通過(guò)假設(shè)運(yùn)算放大器是壓控電壓源(VCVS)來(lái)成功執(zhí)行許多基于運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)任務(wù)?？刂齐妷簽閈[(V_{IN+} - V_{IN-})\]，控制電壓與VCVS產(chǎn)生的電壓的比例因子為運(yùn)放的增益，用A表示：(伏一世N+-伏一世N-)(伏一世N+-伏一世N-)，控制電壓與 VCVS 產(chǎn)生的電壓之間的比例因子是運(yùn)算放大器的增益，用 A 表示：

運(yùn)算放大器具有非常高的增益，通常高于 \[10^5\] 甚至 \[10^6\] 。正如我們將在未來(lái)的視頻中看到的那樣，這種高(理想情況下為無(wú)限)增益非常重要——不是因?yàn)槲覀兘?jīng)常需要將信號(hào)的幅度增加五到六個(gè)數(shù)量級(jí)，而是因?yàn)榉糯笃鲗⒏咴鲆媾c差分輸入級(jí)提供了一種方便的方式來(lái)利用與負(fù)反饋相關(guān)的有益特性。105105 甚至 106106 . 正如我們將在未來(lái)的視頻中看到的那樣，這種高(理想情況下為無(wú)限)增益非常重要——不是因?yàn)槲覀兘?jīng)常需要將信號(hào)的幅度增加五到六個(gè)數(shù)量級(jí)，而是因?yàn)榉糯笃鲗⒏咴鲆媾c差分輸入級(jí)提供了一種方便的方法來(lái)利用與

讓我們看看上面顯示的 VCVS 模型所隱含的一些其他特征。

· 運(yùn)算放大器是一種差分放大器：它放大兩個(gè)輸入電壓之間的差異。

· 根據(jù)前面的說(shuō)法，運(yùn)算放大器表現(xiàn)出共模抑制。運(yùn)算放大器將拒絕(即忽略)兩個(gè)輸入信號(hào)中存在的任何電壓分量，例如噪聲或直流偏移。

· 運(yùn)算放大器具有差分輸入級(jí)和單端輸出;因此，它可以被認(rèn)為是一個(gè)差分到單端轉(zhuǎn)換器。然而，事實(shí)證明，現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)算放大器應(yīng)用與單端輸入信號(hào)的關(guān)聯(lián)更為密切。事實(shí)上，專為差分輸入信號(hào)設(shè)計(jì)的設(shè)備還有另一個(gè)名稱：儀表放大器。

二、運(yùn)算放大器的特性

運(yùn)算放大器(op-amp)如此有名的原因之一是因?yàn)樗亩喙δ苄?。在本文中，您將看到使用運(yùn)算放大器幾乎可以完成任何事情。還值得注意的是，該集成電路具有許多接近被認(rèn)為是理想的特性的特性。

該集成電路具有許多接近被認(rèn)為是理想的特性的特性。

理想的運(yùn)算放大器

由于運(yùn)算放大器具有接近理想的特性，因此使用 IC 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)和構(gòu)建電路相當(dāng)容易。同樣重要的是運(yùn)算放大器電路組件可以在已預(yù)測(cè)的理論水平上運(yùn)行。本文將介紹分析包含運(yùn)算放大器的電路、如何使用這些運(yùn)算放大器來(lái)設(shè)計(jì)放大器以及運(yùn)算放大器的重要非理想特性。

支持信息

運(yùn)算放大器的實(shí)際考慮

基本放大器配置

運(yùn)算放大器具有三個(gè)端子：兩個(gè)輸入端子和一個(gè)輸出端子。下圖，圖 1.1 說(shuō)明了用于本文中討論的運(yùn)算放大器的符號(hào)。運(yùn)算放大器左側(cè)的兩個(gè)端子 1 和 2 是兩個(gè)輸入端子，右側(cè)的端子 3 是輸出端子。為了操作放大器，它需要連接到直流電源。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)集成電路運(yùn)算放大器不需要一個(gè)，而是兩個(gè)直流電源，如圖 1.2 所示。這兩個(gè)端子 4 和 5 連接到正電壓源 V cc 和負(fù)電壓源 V ee， 分別。圖 1.2 (b) 顯示了作為電池的直流電源，具有公共接地源。兩個(gè)直流電源連接的地源實(shí)際上只是兩個(gè)電源的公共端。有趣的是，這是因?yàn)檫\(yùn)算放大器封裝上的一個(gè)端子沒(méi)有物理連接到地。在本文中，為簡(jiǎn)單起見，不會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器電源進(jìn)行說(shuō)明。

圖 1.1 運(yùn)放符號(hào)

圖 1.2 運(yùn)算放大器與直流電源的連接

除了目前討論的五個(gè)端子之外，運(yùn)算放大器可能還有其他用于特定目的的端子。這些目的可能是用于頻率補(bǔ)償和負(fù)反饋或偏移歸零，從而減少可以放大的小直流偏移。

介紹理想運(yùn)算放大器的特性

查看運(yùn)算放大器內(nèi)部電路的實(shí)際功能，我們看到它旨在確定直接施加到兩個(gè)輸入端子的電壓信號(hào)之間的差異(v 2 - v 1的差異)。一旦找到這個(gè)量，然后將其乘以數(shù)字 A，反過(guò)來(lái)，電壓產(chǎn)生項(xiàng) A (v 2 -v 1 )。從現(xiàn)在開始，當(dāng)在端子處提到電壓時(shí)，它意味著該單個(gè)端子與地之間的電壓;因此 v 1 是施加在端子 1 和地之間的電壓。

理想的運(yùn)算放大器不應(yīng)為輸入吸收任何電流;這意味著，流入端子 1 的電流和流入端子 2 的信號(hào)均為零。這就是說(shuō)理想運(yùn)算放大器的輸入阻抗應(yīng)該是無(wú)窮大。

現(xiàn)在關(guān)注輸出端子，它應(yīng)該像理想電壓源的端子一樣工作。簡(jiǎn)而言之，端子 3 和接地之間的電壓將始終等于 A (v 2 - v 1 )，并且與可能會(huì)或可能不會(huì)從第三端子引入負(fù)載阻抗的電流無(wú)關(guān)。

綜上所述，可以說(shuō)明圖 1.3 中所示運(yùn)算放大器的模型。查看模型，可以看到輸出端子的符號(hào)與 v 2相同， 但與 v 1 的符號(hào)相反?？紤]到這一點(diǎn)，輸入端稱為反相輸入端，用“-”號(hào)表示，而輸入端2稱為同相輸入端，用“+”號(hào)表示。

如前所述，運(yùn)算放大器旨在檢測(cè) 電壓信號(hào)之間的 差異，并將忽略兩個(gè)輸入共有的任何給定信號(hào)。這意味著，如果 v 1 = v 2 = 1 V，那么輸出將相應(yīng)地(理想的)為零。這種現(xiàn)象也稱為共模抑制。這也可以表示為零共模增益，或類似地，無(wú)限共模抑制?，F(xiàn)在，我們可以說(shuō)運(yùn)算放大器是一個(gè)差分輸入、單端輸出放大器，后者表示該運(yùn)算放大器的輸出位于接地和端子 3 之間。

圖1.3 理想運(yùn)放電路模型

術(shù)語(yǔ) A 是所謂的微分增益。這是眾所周知的，因?yàn)楫?dāng)各種信號(hào)應(yīng)用于兩個(gè)輸入 1 和 2 時(shí)，它是運(yùn)算放大器的所需增益。我們可以與該術(shù)語(yǔ)相關(guān)聯(lián)的另一個(gè)名稱是開環(huán)增益。當(dāng) IC 運(yùn)算放大器中沒(méi)有使用反饋時(shí)，可以獲得該增益。通常，開環(huán)增益往往具有極高的值;理想的運(yùn)算放大器實(shí)際上具有無(wú)限的開環(huán)增益。

運(yùn)算放大器的一個(gè)值得注意的特性是直流放大器或直接耦合，它代表直流或直流，因?yàn)樗糯箢l率接近于零的信號(hào)?？紤]到運(yùn)算放大器是直接耦合 IC，它們的用途要廣泛得多，這使我們可以在許多更重要的應(yīng)用中使用它們。但是，直接耦合會(huì)導(dǎo)致一些嚴(yán)重的問(wèn)題，稍后將討論這些問(wèn)題。

移至帶寬，理想的運(yùn)算放大器具有增益 A 這將保持恒定到零頻率，一直到無(wú)限頻率。換句話說(shuō)，理想的放大器可以以相同的增益放大任何頻率的信號(hào)，從而使它們具有無(wú)限的帶寬。到目前為止，已經(jīng)討論了理想運(yùn)算放大器的所有特性和屬性，除了一個(gè)：理想運(yùn)算放大器的增益 A 應(yīng)該具有一個(gè)大且無(wú)限的值，理想情況下。然而，這帶來(lái)了一個(gè)很好的問(wèn)題：如果有一個(gè)無(wú)窮大的增益，運(yùn)放如何用于任何應(yīng)用?這可以很簡(jiǎn)單地回答，因?yàn)檫\(yùn)算放大器不會(huì)在幾乎所有可以想到的應(yīng)用中單獨(dú)用于開環(huán)配置。在下面的文章中，我將討論其他組件將如何通過(guò)應(yīng)用反饋來(lái)完成或關(guān)閉運(yùn)算放大器的循環(huán)。

總結(jié)

到目前為止，我們已經(jīng)討論了運(yùn)算放大器如何因其多功能性而如此受歡迎，以及理想運(yùn)算放大器的特性和功能。總而言之，理想運(yùn)算放大器的特性如下：

運(yùn)算放大器內(nèi)部的理想增益帶來(lái)無(wú)限帶寬

無(wú)限開環(huán)增益A

無(wú)限或零共模增益

無(wú)窮大的輸入阻抗

輸出阻抗為零