運(yùn)算放大器基礎(chǔ)知識：什么是運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是模擬電子電路設(shè)計(jì)中最有用的電路模塊之一。它們易于使用，可以提供一些近乎完美的模擬電路。

集成電路、集成電路對電子領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響——模擬和數(shù)字電路都改變了電子產(chǎn)品的面貌。

在模擬電子領(lǐng)域，沒有比運(yùn)算放大器或運(yùn)算放大器更能發(fā)揮作用的了。運(yùn)算放大器是一種差分放大器，它是一種非常高性能的放大器電路模塊，只需添加少量其他組件即可設(shè)計(jì)許多不同的電子放大器電路。

帶IC的運(yùn)算放大器電路符號

運(yùn)算放大器可以構(gòu)成許多其他電路的基礎(chǔ)，從濾波器到定時器，從振蕩器到比較器和進(jìn)波器。因此，運(yùn)算放大器是模擬電子電路設(shè)計(jì)工程師和業(yè)余愛好者可以使用的最通用的構(gòu)建模塊之一。

使用運(yùn)算放大器電路的優(yōu)點(diǎn)之一是，電子電路設(shè)計(jì)通常非常簡單，同時仍能產(chǎn)生高性能成品電路。

運(yùn)算放大器開發(fā)

盡管“運(yùn)算放大器”一詞現(xiàn)在已經(jīng)完全融入了當(dāng)今的電子術(shù)語中，但人們可能沒有意識到它可以追溯到1947年發(fā)表的一篇論文。這描述了在當(dāng)時的模擬計(jì)算機(jī)中使用這些放大器進(jìn)行的工作。

運(yùn)算放大器電路符號

然而，直到 1960 年代，隨著集成電路技術(shù)的廣泛引入，這些放大器的概念才得以完全實(shí)現(xiàn)。

1963年，推出了第一款單片集成電路運(yùn)算放大器。這是仙童半導(dǎo)體的μA702，由他們的工程師Bob Widlar設(shè)計(jì)。

1965年晚些時候，μA702的改進(jìn)版推出。同樣由仙童生產(chǎn)的是μA709，它是第一個廣泛使用的運(yùn)算放大器。它運(yùn)行良好，克服了 ?micro 的一些問題;A702，盡管有必要對放大器進(jìn)行外部補(bǔ)償以防止其振蕩。

1968年，非常著名的μA741首次推出。該運(yùn)算放大器通過在芯片內(nèi)的芯片中集成一個小的30pF電容來解決不穩(wěn)定問題。這意味著不需要外部補(bǔ)償組件。

將補(bǔ)償添加到實(shí)際芯片中，使741能夠得到特別廣泛的使用，事實(shí)上，直到今天，它仍然由一些公司制造。此外，引腳配置也已延續(xù)到當(dāng)今許多運(yùn)算放大器芯片中。

從那時起，許多運(yùn)算放大器芯片已經(jīng)推出，在輸入阻抗、低失調(diào)、低噪聲等方面提供改進(jìn)的性能，并已嵌入到模擬電子電路設(shè)計(jì)中。

現(xiàn)在，運(yùn)算放大器已成為整個電子行業(yè)使用的基本構(gòu)件。盡管它們已經(jīng)存在了一段時間，但它們的使用似乎不太可能下降。

什么是運(yùn)算放大器？基礎(chǔ)知識

運(yùn)算放大器非常接近于具有無限增益、無限輸入阻抗和零輸出阻抗的完美放大器。

實(shí)際上，運(yùn)算放大器并不能達(dá)到完美，但增益通常在100，000或更高，輸入阻抗水平為Megohms和更多，輸出阻抗水平非常低，它們足夠接近，在大多數(shù)情況下可以忽略缺陷。

運(yùn)算放大器有兩個輸入。一個稱為反相輸入，在電路原理圖上標(biāo)有“-”號。另一個是同相輸入，用“+”號標(biāo)記。

運(yùn)算放大器基本上是一個差分放大器，因?yàn)檩敵雠c兩個輸入之間的電壓差成正比。

運(yùn)算放大器等效電路

兩個輸入的名稱來自它們放大信號的方式：

同相輸入：運(yùn)算放大器同相輸入在電路圖上用“+”號標(biāo)記。結(jié)果表明，施加到同相輸入端的正電壓將在輸出端產(chǎn)生正擺幅。如果將變化波形（例如正弦波）應(yīng)用于同相輸入，則它將以相同的意義出現(xiàn)在輸出端。它沒有被顛倒。通過將輸入信號施加到同相輸入，將負(fù)反饋施加到投資輸入，可以設(shè)計(jì)出不會反轉(zhuǎn)輸入信號檢測的電路。

反相輸入：運(yùn)算放大器反相輸入在電路圖上用“-”號標(biāo)記。施加到反相輸入端的正電壓將在輸出端產(chǎn)生負(fù)擺幅。因此，正弦波應(yīng)用于反相輸入，將在輸出端出現(xiàn)反相。通過將信號和負(fù)反饋施加到運(yùn)算放大器的反相輸入端，可以設(shè)計(jì)輸出信號與輸入相反的電路。

如果將相同的電壓同時施加到兩個輸入端，則輸出端應(yīng)該沒有變化。實(shí)際上，輸出與反相和非反相輸入之間的差異成正比。正是由于這個原因，這些放大器通常被稱為差分放大器。

與任何電子電路設(shè)計(jì)一樣，使用運(yùn)算放大器的電路需要有電源。通常，運(yùn)算放大器使用雙電源供電，即正電源和負(fù)電源。此外，電源線通常不會顯示，因?yàn)樗鼈儠黾与娐穲D的混亂。

在大多數(shù)情況下，運(yùn)算放大器只需要五個連接即可工作 - 反相、同相、輸出和兩個電源軌。偶爾可以使用另外三個。這些通常用于“偏移零”功能。這用于減少可能存在的任何直流偏移，對于大多數(shù)應(yīng)用，這些失調(diào)可以忽略并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

運(yùn)算放大器特性

運(yùn)算放大器、運(yùn)算放大器具有許多基本特性，其中一些具有優(yōu)勢，而另一些則限制了其性能：

運(yùn)算放大器特性

非常高的增益： ? 運(yùn)算放大器的關(guān)鍵屬性之一是其非常高的增益。典型的數(shù)字從大約10 000開始 - 100 000或更多的數(shù)字很常見。雖然具有這種量級增益水平的開環(huán)放大器用處不大，但運(yùn)算放大器能夠通過使用負(fù)反饋來利用極高增益電平的優(yōu)勢。通過這種方式，增益水平非?？煽?，失真水平可以保持在非常低的水平。

使用負(fù)反饋是釋放運(yùn)算放大器功率的關(guān)鍵。運(yùn)算放大器的高增益與負(fù)反饋的巧妙使用相結(jié)合，意味著負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)能夠控制運(yùn)算放大器電路模塊的整體性能，使其能夠執(zhí)行許多不同的功能。

高輸入阻抗：高輸入阻抗是運(yùn)算放大器的另一個關(guān)鍵方面。理論上，它們的輸入電阻應(yīng)該是無限大的，目前使用的運(yùn)算放大器非常接近這個電阻，阻抗從0.25MΩ以上。一些使用 MOSFET 輸入級的阻抗為數(shù)百 MΩ。

低輸出阻抗：運(yùn)算放大器輸出阻抗也很重要。正如預(yù)期的那樣，這應(yīng)該很低。在理想的放大器中，這應(yīng)該是零，但實(shí)際上許多放大器的輸出阻抗小于一百歐姆，許多放大器的輸出阻抗遠(yuǎn)低于此。也就是說，許多基于IC的運(yùn)算放大器的驅(qū)動能力自然受到限制。

共模抑制：運(yùn)算放大器的另一個重要特性是其共模抑制。這是指將同一信號應(yīng)用于兩個輸入的情況。對于理想的差分放大器，在這種情況下，輸出端不應(yīng)看到輸出，但放大器永遠(yuǎn)不會完美。

實(shí)際共模抑制比CMMR是信號施加到兩個輸入時的輸出電平與僅施加到一個輸入時的輸出電平之間的比率。這個數(shù)字以分貝表示，通常超過70dB左右。

通過使用運(yùn)算放大器的共模抑制，可以設(shè)計(jì)一個降低低電平信號干擾水平的電路。信號和返回線施加到兩個輸入端，并且僅放大差分信號，兩條線路上拾取和出現(xiàn)的任何噪聲或干擾都將被抑制。這通常用于儀表放大器。

帶寬有限：運(yùn)算放大器的帶寬變化可能很大。理想的放大器將具有無限帶寬，但正如人們可能想象的那樣，這是不可能的，而且在實(shí)踐中也很難使用和馴服。實(shí)際上，運(yùn)算放大器的帶寬有限。許多用于音頻應(yīng)用的芯片可能只能在相對較小的帶寬上顯示其全部增益，在此之后增益下降。盡管如此，大多數(shù)電路的作用是降低增益，并使這種較小的增益水平能夠在較大的帶寬上保持。

基本運(yùn)算放大器電路

雖然運(yùn)算放大器被廣泛用作放大器，但它們也可以作為許多其他電路的基礎(chǔ)。

當(dāng)運(yùn)算放大器電路在放大器周圍放置反饋時，改變此值會改變整個電路的特性。改變反饋不僅可以改變增益水平，還可以改變電路的功能 - 只需改變反饋電平和配置，就可以制造微分器、積分器、濾波器、振蕩器、非穩(wěn)態(tài)、多諧振蕩器和更多電路。

圍繞運(yùn)算放大器有許多不同的電路。這些通常易于設(shè)計(jì)和構(gòu)造。

運(yùn)算放大器品種

與任何其他形式的電子元件一樣，運(yùn)算放大器有多種種類。運(yùn)算放大器采用多種IC封裝。像μA709這樣的早期運(yùn)算放大器采用圓形8引腳金屬罐，而后來的運(yùn)算放大器則采用8引腳雙列直插式封裝。多個運(yùn)算放大器也采用 14 引腳 DIL 封裝 - 甚至還有采用 8 引腳 DIL 的雙運(yùn)算放大器，但由于封裝上的引腳不足，無法訪問失調(diào)零點(diǎn)功能。

隨著電子元件轉(zhuǎn)向表面貼裝頁面，運(yùn)算放大器采用低計(jì)數(shù)封裝，因此在需要時可以輕松插入不同的電路。

運(yùn)算放大器還提供多種性能參數(shù)。除了提供一般性能特征的產(chǎn)品外，還有其他產(chǎn)品提供低噪聲性能、低失調(diào)、高輸入阻抗、高頻性能以及各種其他增強(qiáng)型領(lǐng)域。

因此，可以獲得這些電子元件的格式和性能，幾乎可以滿足所有要求。

運(yùn)算放大器是模擬電子器件非常有用的構(gòu)建模塊。作為一種差分放大器電路，它適用于許多領(lǐng)域或模擬電子電路設(shè)計(jì)。鑒于用途廣泛，芯片非常便宜，可用于多種功能。

鑒于其性能、易用性和可以使用它們的各種不同電路，運(yùn)算放大器被用于大量電路中，既可以作為集成電路本身，也可以作為包含大量模擬功能的集成電路芯片中的電路塊。

施加到反相輸入的信號以相反的意義出現(xiàn)在輸出端

施加到同相輸入的信號以相同的意義出現(xiàn)在輸出端