運(yùn)算放大器原理解析，運(yùn)算放大器同相放大與反相放大的區(qū)別

　　運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

　　運(yùn)算放大器是模擬電子電路的重點(diǎn)，其應(yīng)用已非常普遍。

　　1．集成運(yùn)放是具有高開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合集成放大電路。

　　2．運(yùn)算放大器理想化的主要條件：

　　（1）開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大；

　　（2）開(kāi)環(huán)輸入電阻為無(wú)窮大；

　　（3）開(kāi)環(huán)輸出電阻為零；

　?。?）共模抑制比為無(wú)窮大。

　　由于實(shí)際運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)接近理想化條件，而用理想運(yùn)算放大器分析電路可使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化，因此后面對(duì)運(yùn)算放大器的分析都是按其理想化條件進(jìn)行的。

　　3．運(yùn)算放大器電壓傳輸特性及分析依據(jù)

　　電壓傳輸特性

　　（1）運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)分析依據(jù)

　　u+≈u–id≈0

　　運(yùn)放要工作在線(xiàn)性區(qū)必須引入負(fù)反饋

　?。?）運(yùn)放工作在飽和區(qū)分析依據(jù)（非線(xiàn)性區(qū)）

　　id≈0依然成立

　　u+≈u–不再成立

　　當(dāng)

　　發(fā)生躍變

　　運(yùn)算放大器在信號(hào)運(yùn)算、處理或產(chǎn)生方面都有廣泛的應(yīng)用，但就其工作狀態(tài)而言，它無(wú)非工作在線(xiàn)性區(qū)或非線(xiàn)性區(qū)。因此，掌握運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)與非線(xiàn)性區(qū)的依據(jù)是至關(guān)重要的。

　　4．反饋

　　由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，當(dāng)它工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)必須引入深度負(fù)反饋。因此，它的輸出與輸入之間的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，而與運(yùn)放本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)和形式，就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。

　　負(fù)反饋的類(lèi)型有：電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)反饋。

　　反饋電路直接從輸出端引出的，是電壓反饋；從負(fù)載電阻靠近“地”端引出的，是電流反饋；（也可將輸出端短路，若反饋量為零，則為電壓反饋；若反饋量不為零，則為電流反饋。） 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在兩個(gè)輸入端，是串聯(lián)反饋；加在同一輸入端的是并聯(lián)反饋；反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小的，是負(fù)反饋。

　　負(fù)反饋的對(duì)放大電路工作性能的影響：提高放大電路的穩(wěn)定性；改善波形失真；

　　對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響：電壓反饋使輸出電阻降低；電流反饋使輸出電阻增高；串聯(lián)反饋使輸入電阻增高；并聯(lián)反饋使輸入電阻降低；

　　5．集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用

　?。?） 反相比例運(yùn)算：輸入信號(hào)從反相輸入端引入的運(yùn)算便是反相比例運(yùn)算（如圖①）。

　　圖①圖②

　?。?） 同相比例運(yùn)算：輸入信號(hào)從同相輸入端引入的運(yùn)算便是同相比例運(yùn)算（如圖②）。

　?。?） 加法運(yùn)算：

　　如果在反相輸入端增加若干輸入電路，則構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路（如圖③）。

　　如圖③如圖④

　?。?） 減法運(yùn)算：

　　如果兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入，則為差分輸入，構(gòu)成減法運(yùn)算電路（如圖④）。

　　當(dāng)R1=R2和Rf=R3時(shí)，則上式為

　　運(yùn)算放大器同相放大與反相放大的區(qū)別

　　電子電路中的運(yùn)算放大器，有同相輸入端和反相輸入端，輸入端的極性和輸出端是同一極性的就是同相放大器，而輸入端的極性和輸出端相反極性的則稱(chēng)為反相放大器。

　　圖一運(yùn)放的同向端接地=0V，反向端和同向端虛短，所以也是0V，反向輸入端輸入電阻很高，虛斷，幾乎沒(méi)有電流注入和流出，那么R1和R2相當(dāng)于是串聯(lián)的，流過(guò)一個(gè)串聯(lián)電路中的每一只組件的電流是相同的，即流過(guò)R1的電流和流過(guò)R2的電流是相同的。

　　流過(guò)R1的電流：I1=（Vi-V-）/R1………a

　　流過(guò)R2的電流：I2=（V--Vout）/R2……b

　　V-=V+=0………………c

　　I1=I2……………………d

　　求解上面的初中代數(shù)方程得

　　Vout=（-R2/R1）*Vi

　　這就是傳說(shuō)中的反相放大器的輸入輸出關(guān)系式了。

　　圖二中Vi與V-虛短，則Vi=V-……a

　　因?yàn)樘摂?，反向輸入端沒(méi)有電流輸入輸出，通過(guò)R1和R2的電流相等，設(shè)此電流為I，由歐姆定律得：

　　I=Vout/（R1+R2）……b

　　Vi等于R2上的分壓，即：Vi=I*R2……c

　　由abc式得Vout=Vi*（R1+R2）/R2，這就是傳說(shuō)中的同相放大器的公式了。

　　集成運(yùn)算同相放大器和反相放大器的選擇［2］

　　運(yùn)算放大器可以接成同相放大也可以接成反相放大，那使用同相放大好還是反相放大好呢？我們先來(lái)看同相放大和反相放大的區(qū)別：

　　同相放大器

　　優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗和運(yùn)放的輸入阻抗相等，接近無(wú)窮大

　　缺點(diǎn)：放大電路沒(méi)有虛地，因此有較大的共模電壓，抗干擾能力相對(duì)較差，使用時(shí)要求運(yùn)放有較高的共模抑制比，另一個(gè)小缺點(diǎn)就是放大倍數(shù)只能大于1；

　　反相放大器

　　優(yōu)點(diǎn)：兩個(gè)輸入端電位始終近似為零（同相端接地，反相端虛地），只有差模信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)；

　　缺點(diǎn)：輸入阻抗很小，等于信號(hào)到輸入端的串聯(lián)電阻的阻值。

　　另外就是二者的增益計(jì)算公式不同，相位相反

　　由此可見(jiàn)，對(duì)比它們要在以下幾個(gè)方面：輸入輸出阻抗，共模的抗干擾

　　1、同相放大器的輸入阻抗和運(yùn)放的輸入阻抗相等，接近無(wú)窮大，同相放大器的輸入電阻取值大小不影響輸入阻抗；而反相放大器的輸入阻抗等于信號(hào)到輸入端的串聯(lián)電阻的阻值。因此當(dāng)要求輸入阻抗很高的時(shí)候就應(yīng)選擇同相放大器！

　　2、同相放大器的輸入信號(hào)范圍受運(yùn)放的共模輸入電壓范圍的限制，反相放大器則無(wú)此限制。因此如果要求輸入阻抗不高且相位無(wú)要求時(shí)，首選反相放大，因?yàn)榉聪喾糯笾淮嬖诓钅Ｐ盘?hào)，抗干擾能力強(qiáng)，可以得到更大的輸入信號(hào)范圍。

　　3、在設(shè)計(jì)中要求放大倍數(shù)相同的情況下盡量選擇數(shù)值小的電阻配合，這樣可以減小輸入偏置電流的影響和分布電容的影響。如果很計(jì)較功耗，則要在電阻數(shù)值方面折中。