德州儀器：什么是運(yùn)算放大器？

許多教材和參考指南將運(yùn)算放大器（運(yùn)放）定義為可以執(zhí)行各種功能或操作（如放大、加法和減法）的專用集成電路（IC）。雖然我同意這個(gè)定義，但仍需注重芯片的輸入引腳的電壓。

當(dāng)輸入電壓相等時(shí)，運(yùn)算放大器通常在線性范圍內(nèi)工作，而運(yùn)算放大器正是在線性范圍內(nèi)準(zhǔn)確地執(zhí)行上述功能。然而，運(yùn)算放大器只能改變一個(gè)條件來使輸入電壓相等，即輸出電壓。因此，運(yùn)算放大器的輸出通常以某種方式連接到輸入，這種通常被稱為電壓反饋。

在本文中，我將解釋一個(gè)通用電壓反饋運(yùn)算放大器的基本操作，并請(qǐng)您參閱其他內(nèi)容以了解更多信息。

　　運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

圖1描述了運(yùn)算放大器的標(biāo)準(zhǔn)示意圖符號(hào)。有兩個(gè)輸入端（IN+， IN-）、一個(gè)輸出端（OUT）和兩個(gè)電源端（V+， V-）。這些端的名稱可能因制造商而異，甚至單個(gè)制造商也可能使用不同的名稱，但它們?nèi)匀皇窍嗤奈鍌€(gè)端。

例如，您可能會(huì)看到V_cc或V_dd而不是V+。又或者，您可能會(huì)看到V_ee或V_ss而不是V-。電源端子的其他標(biāo)簽會(huì)有所不同，因?yàn)樗鼈冎傅氖瞧骷?nèi)部的晶體管類型。例如，當(dāng)在運(yùn)算放大器內(nèi)部使用雙極結(jié)型晶體管（BJT）時(shí)，電源對(duì)應(yīng)于BJT的集電極和發(fā)射極：V_cc和V_ee。在運(yùn)算放大器內(nèi)部使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）時(shí)，電源標(biāo)簽與FET的漏極和源極相對(duì)應(yīng)：V_dd和V_ss。如今，許多運(yùn)算放大器同時(shí)包含BJT和FET，因此V+和V-是常見的標(biāo)簽，與器件內(nèi)部的晶體管無關(guān)。簡言之，不要太在意引腳標(biāo)簽，只要理解它們的作用即可。

　　圖1：通用型運(yùn)算放大器示意圖符號(hào)

　　等式1表示運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)：

　　在等式1中，AOL被稱為“開環(huán)增益”。在現(xiàn)代運(yùn)算放大器中，它通常是一個(gè)非常大的值（120 dB或1，000，000 V/V）。例如，如果IN+和IN-之間的電壓差僅為1mV，運(yùn)算放大器將嘗試輸出1000V！在這種配置中，運(yùn)算放大器不在線性區(qū)域內(nèi)工作，因?yàn)檩敵霾荒苁馆斎氡舜讼嗟龋ㄓ涀?，理想情況下In+等于In-）。因此，運(yùn)算放大器需要一種方法來控制開環(huán)增益，即通過負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)。

　　圖2描述了作為反饋控制系統(tǒng)一部分的運(yùn)算放大器。您會(huì)注意到輸出OUT通過一個(gè)標(biāo)記為?的塊反饋到負(fù)輸入IN-。?被稱為反饋因子，通常使用電阻來降低輸出電壓。

　　圖2：負(fù)反饋運(yùn)算放大器

　　圖3比較了開環(huán)運(yùn)算放大器和負(fù)反饋運(yùn)算放大器。這些TINA-TI?軟件仿真電路采用的運(yùn)放是近乎理想的運(yùn)放，加了電源來限制輸出電壓。注意，對(duì)于左側(cè)的開環(huán)配置，輸出幾乎等于正電源（V+）。這是因?yàn)檩斎胍_之間有一個(gè)很小的差異（100mV）。這種小電壓被開環(huán)增益放大，開環(huán)增益會(huì)強(qiáng)制輸出到其中一個(gè)電源電壓。在圖3右側(cè)的負(fù)反饋或閉環(huán)電路中，運(yùn)算放大器輸出上的分壓器需要200 mV的輸出電壓，以便使反相和同相輸入相等。

　　圖3：開環(huán)（左）與負(fù)反饋（右）

　　輸入電壓的放大稱為增益。它是反饋回路中電阻值的函數(shù)。等式2描述了圖3中右邊電路的增益方程，這就是所謂的同相放大器。您將看到計(jì)算出的輸出電壓與仿真相符。如果您想要了解有關(guān)此電路（以及其他常見的運(yùn)算放大器電路，如緩沖器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下載電子書“模擬工程師電路指南：放大器”?！?/p>

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　　運(yùn)算放大器的輸出受到電源電壓的限制。圖4是圖3中同相放大器的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖。注意當(dāng)輸出接近正負(fù)電源時(shí)，輸出由于飽和受限。

　　圖4：同相放大器電路的輸出與輸入電壓

　　由于這個(gè)限制，在圖5中可以看到，隨著輸出接近電源，輸入引腳之間的電壓差Vdiff增加。只有當(dāng)輸入幾乎相等時(shí)，運(yùn)算放大器才在線性區(qū)域工作。

　　圖5：同相放大器電路的Vdiff和IN+

　　為了更深入地了解運(yùn)算放大器，請(qǐng)查看我們的模擬課程TI高精度實(shí)驗(yàn)室。本課程將深入探討運(yùn)算放大器，并討論輸入失調(diào)電壓（Vos）、輸入偏置電流（IB）和輸入/輸出限制等基本非理想因素。還有一些高級(jí)主題講座，如運(yùn)算放大器帶寬（BW）、壓擺率（SR）、噪聲、共模抑制比（CMRR）、電源抑制比（PSRR）和穩(wěn)定性。除了講座之外，有些主題還包括動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，您需要相應(yīng)的運(yùn)算放大器評(píng)估模塊。

　　如果您喜歡DIY一些電路，那么可能會(huì)對(duì)通用DIY放大器電路評(píng)估模塊（用于單通道運(yùn)放）、雙通道通用DIY放大器電路評(píng)估（用于雙通道運(yùn)放）或DIP封裝轉(zhuǎn)換評(píng)估模塊（可與標(biāo)準(zhǔn)的打樣板或電路試驗(yàn)板一起使用）感興趣。DIY-EVMs支持不同封裝的運(yùn)放，并具有許多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器電路，如本文所述的同相放大器、反相放大器、緩沖器和濾波器（包括Sallen-Key和多反饋）。由于雙列直插式封裝（DIP）轉(zhuǎn)換EVM可以將許多標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝封裝轉(zhuǎn)換為DIP，以便與電路試驗(yàn)板一起使用，因此您可以評(píng)估任何配置的放大器。

　　這就是運(yùn)算放大器的基本原理：只有當(dāng)輸入引腳的電壓相等時(shí)，運(yùn)算放大器才是線性的。然而，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，運(yùn)算放大器只能調(diào)整其輸出電壓。輸出擺幅限制會(huì)導(dǎo)致輸入電壓差增大，從而導(dǎo)致非線性。