運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)原理

　　運(yùn)算放大器具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，如圖1-1所示，其中標(biāo)有“+”號的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端)，另一只標(biāo)有“一”號的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負(fù)端，如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信號，則在輸出端會得到電壓相同但極性相反的輸出信號：輸出端輸出的信號與同相輸人端的信號同相，而與反相輸入端的信號反相。

圖1-1：運(yùn)算放大器的電路符號

　　運(yùn)算放大器所接的電源可以是單電源的，也可以是雙電源的，如圖1-2所示。運(yùn)算放大器有一些非常有意思的特性，靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨(dú)特的用途，總的來說，這些特性可以綜合為兩條：

　　1、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無窮大。

　　2、運(yùn)算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為零。

圖1-2：運(yùn)可接的兩種電源算放大器

　　現(xiàn)在我們來簡單地看看由于上面的兩個(gè)特性可以得到一些什么樣的結(jié)論。

　　首先，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無窮大，所以只要它的輸入端的輸入電壓不為零，輸出端就會有與正的或負(fù)的電源一樣高的輸出電壓本來應(yīng)該是無窮高的輸出電壓，但受到電源電壓的限制。

　　準(zhǔn)確地說，如果同相輸入端輸入的電壓比反相輸入端輸入的電壓高，哪怕只高極小的一點(diǎn)，運(yùn)算放大器的輸出端就會輸出一個(gè)與正電源電壓相同的電壓;反之，如果反相輸入端輸入的電壓比同相輸人端輸入的電壓高，運(yùn)算放大器的輸出端就會輸出一個(gè)與負(fù)電源電壓相同的電壓(如果運(yùn)算放大器用的是單電源，則輸出電壓為零)。

　　其次，由于放大倍數(shù)為無窮大，所以不能將運(yùn)算放大器直接用來做放大器用，必須要將輸出的信號反饋到反相輸入端(稱為負(fù)反饋)來降低它的放大倍數(shù)。

　　如圖1-3中左圖所示，R1的作用就是將輸出的信號返回到運(yùn)算放大器的反相輸入端，由于反相輸入端與輸出的電壓是相反的，所以會減小電路的放大倍數(shù)，是一個(gè)負(fù)反饋電路，電阻Rf也叫做負(fù)反饋電阻。

圖1-3：運(yùn)算放大器的反饋電阻接法（左：反相接法 ，右：同相接法）

　　還有，由于運(yùn)算放大器的輸入為無窮大，所以運(yùn)算放大器的輸入端是沒有電流輸入的——它只接受電壓。同樣，如果我們想象在運(yùn)算放大器的同相輸入端與反相輸入端之間是一只無窮大的電阻，那么加在這個(gè)電阻兩端的電壓是不能形成電流的，沒有電流，根據(jù)歐姆定律，電阻兩端就不會有電壓，所以我們又可以認(rèn)為在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸人端電壓是相同的(電壓在這種情況就有點(diǎn)像用導(dǎo)線將兩個(gè)輸入端短路，所以我們又將這種現(xiàn)象叫做“虛短”)。

　　為差分的運(yùn)算法則了更好的學(xué)習(xí)差分的運(yùn)算法則了解運(yùn)算放大器，下面16個(gè)問答可以快速熟悉運(yùn)算放大器基礎(chǔ)。

　　1、一般反相/同相放大電路中都會有一個(gè)平衡電阻，這個(gè)平衡電阻的作用是什么呢?

　　(1) 為芯片內(nèi)部的晶體管提供一個(gè)合適的靜態(tài)偏置。

　　芯片內(nèi)部的電路通常都是直接耦合的，它能夠自動調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，但是，如果某個(gè)輸入引腳被直接接到了電源或者地，它的自動調(diào)節(jié)功能就不正常了，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部的晶體管無法抬高地線的電壓，也無法拉低電源的電壓，這就導(dǎo)致芯片不能滿足虛短、虛斷的條件，電路需要另外分析。

　　(2)消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響，大小應(yīng)與兩輸入端外界直流通路的等效電阻值平衡，

　　這也是其得名的原因。

　　2、同相比例運(yùn)算放大器，在反饋電阻上并一個(gè)電容的作用是什么?

　　(1)反饋電阻并電容形成一個(gè)高通濾波器, 局部高頻率放大特別厲害。

　　(2)防止自激。

　　3、運(yùn)算放大器同相放大電路如果不接平衡電阻有什么后果?

　　燒毀運(yùn)算放大器，有可能損壞運(yùn)放,電阻能起到分壓的作用。

　　4、在運(yùn)算放大器輸入端上拉電容，下拉電阻能起到什么作用?

　　(1)是為了獲得正反饋和負(fù)反饋的問題，這要看具體連接。比如我把現(xiàn)在輸入電壓信號，輸出電壓信號，再在輸出端取出一根線連到輸入段，那么由于上面的那個(gè)電阻，部分輸出信號通過該電阻后獲得一個(gè)電壓值，對輸入的電壓進(jìn)行分流，使得輸入電壓變小，這就是一個(gè)負(fù)反饋。因?yàn)樾盘栐摧敵龅男盘柨偸遣蛔兊?，通過負(fù)反饋可以對輸出的信號進(jìn)行矯正。

　　5、運(yùn)算放大器接成積分器，在積分電容的兩端并聯(lián)電阻RF 的作用是什么?

　　泄放電阻，用于防止輸出電壓失控。

　　6、為什么一般都在運(yùn)算放大器輸入端串聯(lián)電阻和電容?

　　如果你熟悉運(yùn)算放大器的內(nèi)部電路的話，你會知道，不論什么運(yùn)算放大器都是由幾個(gè)幾個(gè)晶體管或是MOS 管組成。在沒有外接元件的情況下，運(yùn)算放大器就是個(gè)比較器，同相端電壓高的時(shí)候，會輸出近似于正電壓的電平，反之也一樣……但這樣運(yùn)放似乎沒有什么太大的用處，只有在外接電路的時(shí)候，構(gòu)成反饋形式，才會使運(yùn)放有放大，翻轉(zhuǎn)等功能……

　　7、運(yùn)算放大器同相放大電路如果平衡電阻不對有什么后果?

　　(1)同相反相端不平衡，輸入為0 時(shí)也會有輸出，輸入信號時(shí)輸出值總比理論輸出值大(或小)一個(gè)固定的數(shù)。

　　(2)輸入偏置電流引起的誤差不能被消除。

　　8、理想集成運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)是多少輸入阻抗是多少其同相輸入端和反相輸入端之間的電壓是多少?

　　(1) 放大倍數(shù)是無窮大，輸入阻抗是無窮小，同向輸入和反向輸入之間電壓幾乎相同(不是0哦!!!比如同向端為10V，反向端為9.999999V)，剛考完電工，還記得!

　　9、請問，為什么理想運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為無限大?

　　(1)實(shí)際的運(yùn)放開環(huán)增益達(dá)到10 萬以上，非常非常大所以把實(shí)際運(yùn)算放大器理的開環(huán)增益想化為無窮大，并由此導(dǎo)出虛地。

　　(2)導(dǎo)出虛地只是針對反相放大器而言吧。

　　我在書上看見：運(yùn)算放大器的開環(huán)增益無窮大，可以使得我們在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，閉環(huán)增益可以不受開環(huán)增益的限制，而僅僅取決于外部元件。就是犧牲大的開環(huán) 增益換取閉環(huán)增益的穩(wěn)定性。

　　(3)導(dǎo)出虛地是針對運(yùn)放在負(fù)反饋接法時(shí)不僅僅是反相放大器;正反饋時(shí)沒有虛地。

　　(4)很好理解假設(shè)增益很小, 則,對于一個(gè)輸出電壓,加在運(yùn)放兩端的電壓的差值相對較大,如果

　　接成負(fù)反饋狀態(tài),就會帶來運(yùn)放兩端的電壓的不一致,從而引起放大的誤差 。

　　(5)運(yùn)放“虛短” 的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)條件：

　　1 ) 運(yùn)放的開環(huán)增益A 要足夠大;

　　2 ) 要有負(fù)反饋電路。

　　先談第一點(diǎn)，我們知道，運(yùn)放的輸出電壓Vo 等于正相輸入端電壓與反相輸入端電壓之差Vid乘以運(yùn)放的開環(huán)增益A。即 Vo = Vid * A = (VI+ - VI-) * A ( 1 )由于在實(shí)際中運(yùn)放的輸出電壓不會超過電源電壓，是一個(gè)有限的值。

　　在這種情況下，如果A很大，(VI+ - VI-)就必然很小;如果(VI+ - VI-) 小到某程度，那么我們實(shí)際上可以將其看作0，這個(gè)時(shí)候就會有VI+ = VI-，即運(yùn)放的同相輸入端的電壓與反相輸入端的電壓相等，好像連在一起一樣，這我們稱為“虛短路” 。注意它們并未真正連在一起，而且它們之間還有電阻，這一點(diǎn)一定要牢記。

　　在上面的討論中，我們是怎樣得到“虛短” 的結(jié)果的呢?

　　我們的出發(fā)點(diǎn)是公式 ( 1 ) ，它是運(yùn)放的特性，是沒有問題的，我們可以放心。然后，我們作了兩個(gè)重要的假設(shè)，一個(gè)是運(yùn)放的輸出電壓大小有限，這沒有問題，運(yùn)放輸出當(dāng)然不會超過電源， 因此這個(gè)假設(shè)絕對成立，所以以后我們就不提了。第二個(gè)是說運(yùn)放開環(huán)增益A 很大。

　　普通運(yùn)放的A 通常都達(dá)10 的6、7 次方甚至更高，這個(gè)假設(shè)一般沒問題，但不要忘記，運(yùn)放的實(shí)際開環(huán)增益還與其工作狀態(tài)有關(guān)，離開了線性區(qū)，A 就不一定大了，所以，這第二個(gè)假設(shè)是有條件的，我們也先記住這一點(diǎn)。

　　因此我們知道，當(dāng)運(yùn)放的開環(huán)增益A 很大時(shí)，運(yùn)放可以有“虛短” 。但這只是可能性，不是自動就實(shí)現(xiàn)的，隨便拿一個(gè)運(yùn)放說它的兩個(gè)輸入端是“虛短” 沒有人會相信。“虛短” 要在特定的電路中才能實(shí)現(xiàn)。

　　“虛短” 存在的條件是：

　　1 ) 運(yùn)放的開環(huán)增益A 要足夠大;

　　2 ) 要有負(fù)反饋電路。

　　明白了“虛短” 得條件后我們就很容易判斷什么時(shí)候能什么時(shí)候不能用“虛短” 作電路分析了。在實(shí)際上，條件( 1 ) 對絕大多數(shù)運(yùn)放都是成立的，關(guān)鍵要看工作區(qū)域。

　　如果是書上的電路，通過計(jì)算判斷;如果是實(shí)際電路，用儀器量運(yùn)放輸出電壓是否合理即可知道。與“虛短” 相關(guān)的還有一種情況叫“虛地” ，就是有一個(gè)輸入端接地時(shí)的“虛短” ，不是新情況。

　　有些書上說要深度負(fù)反饋條件下才能用“虛短” ，我覺得這不準(zhǔn)確，我認(rèn)為這樣說的潛思考是，在深度負(fù)反饋的情況下運(yùn)放更可能工作在線性區(qū)。但這不是絕對的，輸入信號太大時(shí)，深度負(fù)反饋的運(yùn)放照樣進(jìn)入飽和。

　　所以，應(yīng)該以輸出電壓值判斷最可靠。

　　10、將輸入信號直接加到同相輸入端,反相輸入端通過電阻接地,為什么U_ = U+ =Ui≠0?不是虛地嗎?

　　問題補(bǔ)充：構(gòu)成虛短要滿足一定的條件。那構(gòu)成虛地也要滿足一定的條件?是什么?為什么?

　　(1) 在同相放大電路中，輸出通過反饋的作用，使得U(+)自動的跟蹤U(-)，這樣U(+)-U(-)就會接近于0。 好像兩端短路，所以稱“虛短”。

　　(2)由于虛短現(xiàn)象和 運(yùn)放的輸入電阻很高，因而流經(jīng)運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流很小，接近于0，這個(gè)現(xiàn)象叫“虛斷”(虛斷是虛短派生的，不要以為兩者矛盾)

　　(3)虛地是在反相運(yùn)放電 路中的，(+)端接地，(-)接輸入和反饋網(wǎng)絡(luò)。由于虛短的存在，U(-)和U(+)[電位等于0]很接近，所以稱(-)端虛假接地——“虛地”

　　(4)關(guān) 于條件：虛短是同相放大電路 閉環(huán)(簡單說就是有反饋)工作狀態(tài)的重要特征，虛地是反相放大電路在閉環(huán)工作狀態(tài)下的重要特征。 注意理解虛短的條件(如“接近相等”)，應(yīng)該就ok 。

　　11、總覺得運(yùn)算放大器這個(gè)模型有點(diǎn)蹊蹺，首先就是“虛短”，因?yàn)椤疤摱獭保?dāng)運(yùn)算放大器接成同相放大器時(shí)，兩輸入端的電位是相同的，這時(shí)如果測量輸入端的波形，將是同樣的，這就好比是共模信號，其實(shí)，在兩輸入端上還是有微小的差模信號，只是一般儀器測不出來，可是，這樣一來，由于“虛短”就人為(因?yàn)樘摱淌巧疃蓉?fù)反饋的結(jié)果，是人為的)的增大了兩輸入端的共模信號，這樣就對運(yùn)算放大器的 性能構(gòu)成挑戰(zhàn)。為什么運(yùn)算放大器要這么使用?

　　(1)同相放大器的共模信號比反相放大器大得多對共模抑制比要求高。

　　(2)我對“同、反 相兩種放大器的共模信號抑制能力”的看法運(yùn)放共模信號抑制比的優(yōu)劣(db值)主要取決于運(yùn)放內(nèi)部(僅僅是內(nèi)部)差動放大器的對稱程度及增益。這很明顯，沒有任何運(yùn)放提供其共模抑制比的同時(shí)，附加了外部電路的結(jié)構(gòu)條件。

　　對于單端輸入，無論是同相還是反相，其等效共模值均是輸入值的一半。但因同相放大的輸入阻抗通常大于反相放大，其抗干擾的能力當(dāng)然差些。

　　如前述，反相輸入時(shí)，反相端電壓幾乎為零，所以差分對管集電極電壓只有一管變化。同相輸入時(shí)，反相端的電壓和同相端電壓相等，故共模電壓和輸入電壓等值!也就是說所以差分對管集電極電壓除了有兩管有同時(shí)朝不同方向變化的部分外還有 朝同方向變化的量，這就是共模輸出電壓。

　　它和其中某一管的電壓是同相相加的。因此容易導(dǎo)致該管趨于飽和(或者截止)，所幸共模電壓的放大只是差模放大倍數(shù)的數(shù)萬分之一。

　　上面所述，并不說明該放大器的差模輸入和共模輸入的共模抑制抑制比不同!應(yīng)該是同相輸入會附加一個(gè)與輸入量等值的共模信號!因此對于輸入信號較大時(shí)要慎用同相放大模式。

　　12、為什么運(yùn)放一般要反比例放大?

　　反相輸入法與同相輸入法的重大區(qū)別是：

　　反相輸入法，由于在同相端接一個(gè)平衡電阻到地，而在這個(gè)電阻上是沒有電流的(因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入電阻極大)，所以這個(gè)同相端就近似等于地電位，稱為“虛 地”，而反相端與同相端的電位是極接近的，所以，在反相端也存在“虛地”。

　　有虛地的好處是，不存在共模輸入信號，即使這個(gè)運(yùn)算放大器的共模抑制比不高，也保證沒有共模輸出。而同相輸入接法，是沒有“虛地”的，當(dāng)使用單端輸入信號時(shí)，就會產(chǎn)生共模輸入信號，即使使用高共模抑制比的運(yùn)算放大器，也還是會有共模輸出的。

　　所以，一般在使用時(shí)，都會盡量采用反相輸入接法。

　　13、有的運(yùn)放上電后即使不輸入任何電壓也會有輸出，而且輸出還不小，所以經(jīng)常用VCC/2 作為參考電壓。

　　(1)運(yùn)放在沒有任何輸入的情況下有輸出， 是由運(yùn)放本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不對稱造成的，即產(chǎn)生了我們常說的輸入失調(diào)電壓Vos，它是運(yùn)放的一個(gè)很重要的性能參數(shù)。運(yùn)放常用VCC/2 作為參考電壓 是因?yàn)樵撨\(yùn)放處在單電源工作狀態(tài)下，在此時(shí)運(yùn)放真正的參考是VCC/2，故常在運(yùn)放正端提供一個(gè)VCC/2 的直流偏置，在正負(fù)雙電源供電時(shí)還是常以地為參考的。

　　運(yùn)放的選擇需注意很多事項(xiàng)，在不是很嚴(yán)格的條件下，常需考慮運(yùn)放的工作電壓、輸出電流、功耗、增益帶寬積、價(jià)格等。當(dāng)然，當(dāng)運(yùn)放在特殊條件下使用時(shí)，還需考慮不同的影響因子。

　　14、為什么由運(yùn)算放大器組成的放大電路一般都采樣反相輸入方式?

　　(1)反相 輸入法與同相輸入法的重大區(qū)別是：

　　反相輸入法，由于在同相端接一個(gè)平衡電阻到地，而在這個(gè)電阻上是沒有電流的(因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入電阻極大)， 所以這個(gè)同相端就近似等于地電位，稱為“虛地”，而反相端與同相端的電位是極接近的，所以，在反相端也存在“虛地”。

　　有虛地的好處是，不存在共模輸入信號，即使這個(gè)運(yùn)算放大器的共模抑制比不高，也保證沒有共模輸出。而同相輸入接法，是沒有“虛地”的，當(dāng)使用單端輸入信號時(shí)，就會產(chǎn)生共模輸入信號，即使使用高共模抑制比的運(yùn)算放大器，也還是會有共模輸出的。所以，一般在使用時(shí)，都會盡量采用反相輸入接法。

　　(2)正相是振蕩器，反相才能穩(wěn)定放大器，接入負(fù)反饋

　　(3)從原理上看,接成同相比例放大電路是可以的。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)被放大的信號(也就是差模信號)往往很小， 此時(shí)就要注意抑制噪聲(通常表現(xiàn)為共模信號)。而同相比例放大電路對共模信號的抑制能力很差，需要放大的信號會被淹沒在噪聲中，不利于后期處理。所以一般 選擇抑制能力較好的反相比例放大電路。

　　15、放的重要特性?

　　(1)如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0V。但事實(shí)上，輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓VOS。如果將輸出端的失調(diào)電壓除以電路的噪聲增益，得到結(jié)果稱為輸入失調(diào)電壓 或輸入?yún)⒖际д{(diào)電壓。這個(gè)特性在數(shù)據(jù)表中通常以VOS 給出。

　　VOS 被等效成一個(gè)與運(yùn)放反相輸入端串聯(lián)的電壓源。必須對放大器的兩個(gè)輸入端施加差分電壓，以 產(chǎn)生0V輸出。

　　(2)理想運(yùn)放的輸入阻抗無窮大，因此不會有電流流入輸入端。但是，在輸入級中使用雙極結(jié)晶體管(BJT)的真實(shí)運(yùn)放需要一些工作電流，該電流稱為偏置電流(IB)。通常有兩個(gè)偏置電流：IB+和IB-，它們分別流入兩個(gè)輸入端。IB 值的范圍很大，特殊類型運(yùn)放的偏置電流低至 60fA(大z每3μs 通過一個(gè)電子)，而一些高速運(yùn)放的偏置電流可高達(dá)幾十mA。

　　(3)第一款單片運(yùn)放正常工作所需的電源電壓范圍為±15V。 如今，由于電路速度的提高和采用低功率電源(如電池)供電，運(yùn)放的電源正在向低電壓方向發(fā)展。盡管運(yùn)放的電壓規(guī)格通常被指定為對稱的兩極電壓 (如±15 V)，但是這些電壓卻不一定要求是對稱電壓或兩極電壓。

　　對運(yùn)放而言，只要輸入端被偏置在有源區(qū)域內(nèi)(即在共模電壓范圍內(nèi))，那么±15V 的電源就相當(dāng) 于+30V/0V 電源，或者+20V/–10V 電源。運(yùn)放沒有接地引腳，除非在單電源供電應(yīng)用中把負(fù)電壓軌接地。運(yùn)放電路的任何器件都不需要接地。

　　高速電路的輸入電壓擺幅小于低速器件。器件的速度越高，其幾何形狀就越小，這意味著擊穿電壓就越低。

　　由于擊穿電壓較低，器件就必須工作在較低電源電壓下。如今，運(yùn)放的擊穿電壓一般為±7V 左右，因此高速運(yùn)放的電源電壓一般為±5V，它們也能工作在+5V 的單電源電壓下。

　　對通用運(yùn)放來說，電源電壓可 以低至+1.8V。這類運(yùn)放由單電源供電，但這不一定意味必須采用低電源電壓。單電源電壓和低電壓這兩個(gè)術(shù)語是兩個(gè)相關(guān)而獨(dú)立的概念。

　　16、運(yùn)算放大器的放大原理是什么?

　　運(yùn)算放大器核心是一個(gè)差動放大器。就是兩個(gè)三極管背靠背連著。共同分擔(dān)一個(gè)橫流源的電流。三極管一個(gè)是運(yùn)放的正向輸入，一個(gè)是反向輸入。正向輸入的三極管放大后送到一個(gè)功率放大電路放大輸出。這樣，如果正向輸入端的電壓升高，那么輸出自然也變大了。

　　如果反相輸入端電壓升高，因?yàn)榉聪嗳壒芎驼蛉壒芄餐謸?dān)了一個(gè)恒流源。反向三 級管電流大了，那正向的就要小，所以輸出就會降低。因此叫反向輸入。當(dāng)然，電路內(nèi)部還有很多其它的功能部件，但核心就是這樣的。

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