什么是运算放大器？

只看该作者 · 2020-8-5 16:38

许多教材和参考指南将运算放大器（运放）定义为可以执行各种功能或操作（如放大、加法和减法）的专用集成电路（IC）。虽然我同意这个定义，但仍需注重芯片的输入引脚的电压。

当输入电压相等时，运算放大器通常在线性范围内工作，而运算放大器正是在线性范围内准确地执行上述功能。然而，运算放大器只能改变一个条件来使输入电压相等，即输出电压。因此，运算放大器的输出通常以某种方式连接到输入，这种通常被称为电压反馈。

在本文中，我将解释一个通用电压反馈运算放大器的基本操作，并请您参阅其他内容以了解更多信息。

运算放大器设计

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图1描述了运算放大器的标准示意图符号。有两个输入端（IN+, IN-）、一个输出端（OUT）和两个电源端（V+, V-）。这些端的名称可能因制造商而异，甚至单个制造商也可能使用不同的名称，但它们仍然是相同的五个端。

例如，您可能会看到Vcc或Vdd而不是V+。又或者，您可能会看到Vee或Vss而不是V-。电源端子的其他标签会有所不同，因为它们指的是器件内部的晶体管类型。例如，当在运算放大器内部使用双极结型晶体管（BJT）时，电源对应于BJT的集电极和发射极：Vcc和Vee。在运算放大器内部使用场效应晶体管（FET）时，电源标签与FET的漏极和源极相对应：Vdd和Vss。如今，许多运算放大器同时包含BJT和FET，因此V+和V-是常见的标签，与器件内部的晶体管无关。简言之，不要太在意引脚标签，只要理解它们的作用即可。

图1：通用型运算放大器示意图符号

等式1表示运算放大器的传递函数：

(1)

在等式1中，AOL被称为“开环增益”。在现代运算放大器中，它通常是一个非常大的值（120 dB或1,000,000 V/V）。例如，如果IN+和IN-之间的电压差仅为1mV，运算放大器将尝试输出1000V！在这种配置中，运算放大器不在线性区域内工作，因为输出不能使输入彼此相等（记住，理想情况下In+等于In-）。因此，运算放大器需要一种方法来控制开环增益，即通过负反馈来实现。

图2描述了作为反馈控制系统一部分的运算放大器。您会注意到输出OUT通过一个标记为ß的块反馈到负输入IN-。ß被称为反馈因子，通常使用电阻来降低输出电压。

图2：负反馈运算放大器

图3比较了开环运算放大器和负反馈运算放大器。这些TINA-TI™软件仿真电路采用的运放是近乎理想的运放，加了电源来限制输出电压。注意，对于左侧的开环配置，输出几乎等于正电源（V+）。这是因为输入引脚之间有一个很小的差异（100mV）。这种小电压被开环增益放大，开环增益会强制输出到其中一个电源电压。在图3右侧的负反馈或闭环电路中，运算放大器输出上的分压器需要200 mV的输出电压，以便使反相和同相输入相等。

图3：开环（左）与负反馈（右）

输入电压的放大称为增益。它是反馈回路中电阻值的函数。等式2描述了图3中右边电路的增益方程，这就是所谓的同相放大器。您将看到计算出的输出电压与仿真相符。如果您想要了解有关此电路（以及其他常见的运算放大器电路，如缓冲器、同相放大器和差分放大器）的更多信息，您可以下载电子书“模拟工程师电路指南：放大器”。”

(2)

运算放大器的输出受到电源电压的限制。图4是图3中同相放大器的输出电压与输入电压的关系图。注意当输出接近正负电源时，输出由于饱和受限。

图4：同相放大器电路的输出与输入电压

由于这个限制，在图5中可以看到，随着输出接近电源，输入引脚之间的电压差Vdiff增加。只有当输入几乎相等时，运算放大器才在线性区域工作。

图5：同相放大器电路的Vdiff和IN+

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如果您喜欢DIY一些电路，那么可能会对通用DIY放大器电路评估模块（用于单通道运放）、双通道通用DIY放大器电路评估（用于双通道运放）或DIP封装转换评估模块（可与标准的打样板或电路试验板一起使用）感兴趣。DIY-EVMs支持不同封装的运放，并具有许多标准运算放大器电路，如本文所述的同相放大器、反相放大器、缓冲器和滤波器（包括Sallen-Key和多反馈）。由于双列直插式封装（DIP）转换EVM可以将许多标准的表面贴装封装转换为DIP，以便与电路试验板一起使用，因此您可以评估任何配置的放大器。

这就是运算放大器的基本原理：只有当输入引脚的电压相等时，运算放大器才是线性的。然而，为了实现这一点，运算放大器只能调整其输出电压。输出摆幅限制会导致输入电压差增大，从而导致非线性。