1 什么是運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器(運(yùn)放)用于調(diào)節(jié)和放大模擬信號(hào)，運(yùn)放是一個(gè)內(nèi)含多級(jí)放大電路的集成器件，如圖所示：

左圖為同相位，Vn端接地或穩(wěn)定的電平，Vp端電平上升，則輸出端Vo電平上升，Vp端電平下降，則輸出端Vo電平下降；右圖為反相位，Vp端接地或穩(wěn)定的電平，Vn端電平上升，則輸出端Vo電平下降，Vn端電平下降，則輸出端Vo電平上升

2 運(yùn)算放大器的性質(zhì)

理想運(yùn)算放大器具備以下性質(zhì)：

無(wú)限大的輸入阻抗： 理想的運(yùn)算放大器輸入端不容許任何電流流入，即輸入信號(hào)V+與V-兩端點(diǎn)的電流信號(hào)恒為零，即輸入阻抗無(wú)限大

趨近于零的輸出阻抗： 理想運(yùn)算放大器的輸出端是一個(gè)完美的電壓源，無(wú)論流至放大器負(fù)載的電流如何變化，放大器的輸出電壓恒為一定值，即輸出阻抗為零

無(wú)限大的開回路增益： 理想運(yùn)算放大器的開回路的狀態(tài)下，輸入端的差動(dòng)信號(hào)有無(wú)限大的電壓增益，這個(gè)特性使得運(yùn)算放大器十分適合在實(shí)際應(yīng)用時(shí)加上負(fù)反饋組態(tài)

無(wú)限大的共模抑制比： 理想運(yùn)算放大器只能對(duì)V+與V-兩端點(diǎn)電壓的差值(差分信號(hào))有反應(yīng)，即只放大V + ? V ? 的部份。對(duì)于兩輸入信號(hào)的相同的部分(共模信號(hào))將完全忽略不計(jì)

共模信號(hào)：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號(hào)相同。差模信號(hào)：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的相位相差180度

集成運(yùn)算放大器有兩種工作狀態(tài)：

線性狀態(tài)和非線性狀態(tài)，當(dāng)給集成運(yùn)算放大器加上負(fù)反饋電路時(shí)，工作在線性狀態(tài)，如果給集成運(yùn)算放大器加正反饋電路或當(dāng)其在開環(huán)工作時(shí)，工作在非線性狀態(tài)

工作在線性狀態(tài)的集成運(yùn)算放大器有以下特點(diǎn)：

具有虛斷特性及流入和流出輸入端的電流都為0，I-=I+=0A

具有虛短的特性及兩個(gè)輸入端的電壓相等，U+=U-

虛短和虛斷

虛短： 集成運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)很大，一般通用型的運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)都在80dB以上，但是運(yùn)放的輸出電壓是有限制的，一般 在10V～14V，然而運(yùn)放的差模輸入電壓不足1 mV，因此可以輸入兩端可以近似等電位，就相當(dāng)于短路。 開環(huán)電壓放大倍數(shù)越大，兩輸入端的電位越接近相等，這種特性稱之為虛短

虛斷： 集成運(yùn)算放大器具有輸入高阻抗的特性，一般同向輸入端和反向輸入端的輸入電阻都在1MΩ以上，所以輸入端流入運(yùn)放的電流往往小于1uA，遠(yuǎn)小于輸入端外電路的電流。所以這里通?？砂堰\(yùn)放的兩輸入端視為開路，并且運(yùn)放的輸入電阻越大，同向和反向輸入兩端越接近開路。在運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，根據(jù)這個(gè)特性可以把兩輸入端視為等效開路，簡(jiǎn)稱虛斷

工作在非線性狀態(tài)的集成運(yùn)算放大器具有以下特點(diǎn)：

當(dāng)同相輸入端電壓大于反向輸入端電壓時(shí)，輸出電壓為高電平

當(dāng)同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓時(shí)，輸出電壓為低電平

3 運(yùn)算放大器的分類

運(yùn)算放大器按參數(shù)可分類為如圖所示：

通用型運(yùn)算放大器： 價(jià)格低廉，其性能指標(biāo)適合于一般應(yīng)用場(chǎng)景，常用型號(hào)LM358、LM324

低溫漂型運(yùn)算放大器： 在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中，失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化，常用型號(hào)OP07、AD508

高精度運(yùn)算放大器： 受溫度影響小，噪聲低，靈敏度高，適合微小信號(hào)放大，常用型號(hào)CF725M

高阻型運(yùn)算放大器： 差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般Rid＞1GΩ~1TΩ，Ib為幾皮安到幾十皮安，常用型號(hào)LF355、CA3130

高速型運(yùn)算放大器： 具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)，用于快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，常用型號(hào)LM318、AD8052

低功耗型運(yùn)算放大器： 低電源電壓供電、低功率消耗，常用型號(hào)LM321、AD849

高壓大功率型運(yùn)算放大器： 運(yùn)放的輸出電壓受供電電源的限制，普通運(yùn)放若要提高輸出電壓或增大輸出電流，需要加輔助電路。高壓大功率運(yùn)放外部不需要任何電流，即可輸出高電壓和大電流，常用型號(hào)PA44、A791

可編程控制運(yùn)算放大器： 放大倍數(shù)可變，常用型號(hào)PGA103A、LTC6910

4 運(yùn)算放大器的參數(shù)

共模輸入電阻： 表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比

直流共模抑制： 用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同直流信號(hào)的抑制能力

交流共模抑制： 用于衡量運(yùn)算放大器對(duì)作用在兩個(gè)輸入端的相同交流信號(hào)的抑制能力

增益帶寬積： 是個(gè)常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以(-20dB/10倍頻程)滾降的區(qū)域

輸入偏置電流： 指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流

偏置電流溫漂： 輸入偏置電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量

輸入失調(diào)電流： 流入兩個(gè)輸入端的電流之差

輸入失調(diào)電流溫漂： 輸入失調(diào)電流在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變化量

差模輸入電阻： 輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化

輸出阻抗： 運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸出端的內(nèi)部等效小信號(hào)阻抗

輸出電壓擺幅： 輸出信號(hào)不發(fā)生鉗位的條件下能夠達(dá)到的最大電壓擺幅的峰值

功耗： 在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功耗

電源抑制比： 衡量電源電壓變化時(shí)運(yùn)算放大器保持其輸出不變的能力

轉(zhuǎn)換速率： 輸出電壓的變化量與發(fā)生變化所需要時(shí)間之比的最大值

電源電流： 指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流

單位增益帶寬： 開環(huán)增益大于1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率

輸入失調(diào)電壓： 表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差

輸入失調(diào)電壓溫漂： 指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化

輸入電容： 表示運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)任何一個(gè)輸入端的等效電容

輸入電壓范圍： 運(yùn)算放大器正常工作時(shí)，允許輸入電壓的范圍

輸入電壓噪聲密度： 可以看作是連接到任意一個(gè)輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源

輸入電流噪聲密度： 可以看作是兩個(gè)噪聲電流源，連接到每個(gè)輸入端和公共端

5 運(yùn)算放大器的應(yīng)用

反相放大電路如圖所示：

反相放大電路輸入輸出電壓關(guān)系：

同相放大電路如圖所示：

同相放大電路輸入輸出電壓關(guān)系：

加法電路如圖所示：

加法電路輸入輸出電壓關(guān)系：

減法電路如圖所示：

減法電路輸入輸出電壓關(guān)系：

積分電路如圖所示：

積分電路輸入輸出電壓關(guān)系：

微分電路如圖所示：

微分電路輸入輸出電壓關(guān)系：

差分放大電路如圖所示：

差分放大電路輸入輸出電壓關(guān)系：

電壓跟隨器如圖所示：

電磁采樣放大電路如圖所示：

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