运算放大器的基本原理.docx

1、运算放大器的基本原理运算放大器的基本原理运算放大器 (Operational Amplifier, 简称 OP 、 OPA 、OPAMP)是一种直流耦合，差模(差动模式)输入、通常为单端 输出 (Differential-in, single-ended output) 的高增益 (gain) 电 压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中， 因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限 大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、 无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算 放大器如图 1-1 。一个运算放大器模组一般包括一个正输入 端(OP_P)、一个负输

2、入端(OP_N)和一个输出端(0P_0)。通 常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端 (inverting input node) 连接，形成一负反馈 (negative feedback) 组态。 原因是运算放大器的电压增益非常大， 范围 从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。 但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈 (positive feedback) ，相反地， 在很多需要产生震荡讯号的系统中， 正 回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。开环回路运算 放大器如图 1-2 。当一个理想运算放大器采用开回路的方式 工作时，其输出与输入电压的关系式如下： Vout

3、 = ( V+ -V-) * Aog 其中 Aog 代表运算放大器的开环回路差动增益 (open-loop differential gai 由于运算放大器的开环回路增益 非常高，因此就算输入端的差动讯号很小，仍然会让输出讯 号饱和 (saturation) ，导致非线性的失真出现。因此运算 放大器很少以开环回路出现在电路系统中，少数的例外是用 运算放大器做比较器 (comparator) ，比较器的输出通常为逻 辑准位元的 0 与 1。闭环负反馈将运算放大器的反向 输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的 状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放 大器依据输入讯号进入

4、放大器的端点，又可分为反相 (inverting) 放大器与非反相 (non-inverting) 放大器两种。反相 闭环放大器如图 1-3 。假设这个闭环放大器使用理想的运算 放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的两 输入端为虚接地 (virtual ground) ，其输出与输入电压的关系 式如下： Vout = -(Rf / Rin) * Vin 图 1-3 反相闭环放大器非反 相闭环放大器如图 1-4 。假设这个闭环放大器使用理想的运 算放大器，则因为其开环增益为无限大，所以运算放大器的 两输入端电压差几乎为零，其输出与输入电压的关系式如下： Vout = (R2 / R1

5、) + 1) * Vin 图 1-4 非反相闭环放大器闭环正 回馈将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来，放大器 电路就处在正回馈的状况，由于正回馈组态工作于一极不稳 定的状态，多应用于需要产生震荡讯号的应用中。理想运放 和理想运放条件在分析和综合运放应用电路时，大多数情况 下，可以将集成运放看成一个理想运算放大器。理想运放顾名思义是将集成运放的各项技术指标理想化。由于实际运放 的技术指标比较接近理想运放，因此由理想化带来的误差非 常小，在一般的工程计算中可以忽略。理想运放各项技术指 标具体如下：1.开环差模电压放大倍数 Aod = a ;2.输入电阻 Rid = ；输出电阻od =03.输

6、入偏置电流IB1=IB2=0 ;4.失调电压 UIO 、失调电流 IIO 、失调电压温漂、失调电流温漂 均为零; 5.共模抑制比 CMRR = a;6.-3dB 带宽 fH = a ;7. 无内 部干扰和噪声。实际运放的参数达到如下水平即可以按理想 运放对待：电压放大倍数达到 104105倍;输入电阻达到105 Q ;输出电阻小于几百欧姆；外电路中的电流远大于偏置 电流;失调电压、 失调电流及其温漂很小， 造成电路的漂移在 允许范围之内， 电路的稳定性符合要求即可 ;输入最小信号时， 有一定信噪比，共模抑制比大于等于 60dB; 带宽符合电路带 宽要求即可。运算放大器中的虚短和虚断含意理想运放

7、工作 在线性区时可以得出二条重要的结论：虚短因为理想运放的 电压放大倍数很大，而运放工作在线性区，是一个线性放大 电路，输出电压不超出线性范围 （即有限值 ），所以，运算放 大器同相输入端与反相输入端的电位十分接近相等。在运放 供电电压为土 15V寸，输出的最大值一般在 1013V。所以运放两输入端的电压差， 在 1mV 以下，近似两输入端短路。 这一特性称为虚短，显然这不是真正的短路，只是分析电路 寸在允许误差范围之内的合理近似。虚断由于运放的输入电 阻一般都在几百千欧以上，流入运放同相输入端和反相输入 端中的电流十分微小，比外电路中的电流小几个数量级，流 入运放的电流往往可以忽略，这相当运

8、放的输入端开路，这 一特性称为虚断。显然，运放的输入端不能真正开路。运用 “虚短”“、虚断”这两个概念，在分析运放线性应用电路时， 可 以简化应用电路的分析过程。运算放大器构成的运算电路均 要求输入与输出之间满足一定的函数关系，因此均可应用这 两条结论。如果运放不在线性区工作，也就没有“虚短”、“虚 断”的特性。如果测量运放两输入端的电位， 达到几毫伏以上， 往往该运放不在线性区工作，或者已经损坏。输入失调电压 UIO 一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也 应为零 （不加调零装置 ）。但实际上集成运放的差分输入级很 难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出 电压。输入失

9、调电压是指为了使输出电压为零而在输入端加 的补偿电压。实际上是指输入电压为零时，将输出电压除以 电压放大倍数，折算到输入端的数值称为输入失调电压 ,即 UIO 的大小反应了运放的对称程度和电位配合情况。 UIO 越 小越好，其量级在 2mV20mV 之间，超低失调和低漂移运 放的UIO 般在1卩V20叮之间输入失调电流110当输出电 压为零时，差分输入级的差分对管基极的静态电流之差称为 输入失调电流 II0 ，即 由于信号源内阻的存在， II0 的变 化会引起输入电压的变化，使运放输出电压不为零。 II0 愈小，输入级差分对管的对称程度越好， 一般约为1nA0.1卩A。输入偏置电流 IIB 集

10、成运放输出电压为零时，运放两个输入 端静态偏置电流的平均值定义为输入偏置电流，即 从使用角度来看，偏置电流小好，由于信号源内阻变化引起的输出 电压变化也愈小，故输入偏置电流是重要的技术指标。一般IIB约为1nA0.1卩A。输入失调电压温漂 UIO/ 输入失调 电压温漂是指在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度 的变化量与温度变化量的比值。它是衡量电路温漂的重要指 标，不能用外接调零装置的办法来补偿。输入失调电压温漂 越小越好。一般的运放的输入失调电压温漂在 1mV/C土 20mV/C之间。输入失调电流温漂 IIO/ 在规 定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变 化量之比值称为输

11、入失调电流温漂。输入失调电流温漂是放 大电路电流漂移的量度，不能用外接调零装置来补偿。高质 量的运放每度几个 pA 。最大差模输入电压 Uidmax 最大差模 输入电压 Uidmax 是指运放两输入端能承受的最大差模输入 电压。 超过此电压 ,运放输入级对管将进入非线性区， 而使运放的性能显著恶化， 甚至造成损坏。 根据工艺不同， Uidmax 约为土 5V土 30V。最大共模输入电压Uicmax最大共模输入 电压 Uicmax 是指在保证运放正常工作条件下，运放所能承 受的最大共模输入电压。共模电压超过此值时，输入差分对 管的工作点进入非线性区，放大器失去共模抑制能力，共模抑制比显著下降。最

12、大共模输入电压 Uicmax 定义为，标称电源电压下将运放接成电压跟随器时，使输出电压产生 1% 跟随误差的共模输入电压值 ; 或定义为 下降 6dB 时所加的共 模输入电压值。 开环差模电压放大倍数 Aud 是指集成运放工 作在线性区、接入规定的负载，输出电压的变化量与运放输 入端口处的输入电压的变化量之比。运放的 Aud在60120dB 之间。不同功能的运放， Aud 相差悬殊。差模输入电 阻 Rid 是指输入差模信号时运放的输入电阻。 Rid 越大，对 信号源的影响越小，运放的输入电阻 Rid 一般都在几百千欧 以上。运放共模抑制比 KCMR 的定义与差分放大电路中的定 义相同，是差模电

13、压放大倍数与共模电压放大倍数之比，常 用分贝数来表示。不同功能的运放， KCMR 也不相同，有的 在 6070dB 之间，有的高达 180dB 。 KCMR 越大，对共模 干扰抑制能力越强。 开环带宽 BW 开环带宽又称 -3dB 带宽， 是指运算放大器的差模电压放大倍数 Aud 在高频段下降 3dB 所对应的频率fH。单位增益带宽 BWG是指信号频率增加， 使Aud下降到1时所对应的频率fT，即Aud为OdB时的信 号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的fT=7Hz， 是比较低的。转换速率 SR （压摆率 ）转换速率 SR 是指放大 电路在电压放大倍数等于 1 的条件下，输入大信

14、号 （例如阶跃 信号 ）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率，见图 7-1-1 。它反映了运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率 SR 的表达式为转换速率 SR 是在大信号和高频信 号工作时的一项重要指标，目前一般通用型运放压摆率在110V/ us左右。单位增益带宽 BWG （fT）共模抑制比 KCMR 差模输入电阻开环差模电压放大倍数 Aud 运放如上图有两 个输入端a,b和一个输出端o也称为倒向输入端（反相输入 端）,非倒向输入端（同相输入端）和输出端.当电压加U-加在a 端和公共端 （公共端是电压的零位 ,它相当于电路中的参考结 点.）之间 ,且其实际方向从 a 端指向公共端

15、时 ,输出电压 U 实 际方向则自公共端指向 o 端,即两者的方向正好相反 .当输入 电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对 公共端恰好相同 .为了区别起见 ,a 端和 b 端分别用 -和+号 标出 ,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性 .电压的正负极性应另外标出或用箭头表示 .反转放大器和非反转放 大器如下图：一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出 端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合 电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大 器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于 双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入

16、 电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在 电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要求高 于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计 的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间 变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这 种运放称为轨到轨 （rail-to-rail） 输入运算放大器。运算放大器 的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有： 输出电压 =A0（E1-E2） ，其中， A0 是运放的低频开环增益 （如 100dB ，即 100000 倍 ），E1 是同相端的输入信号电压， E2 是反相端的输入信号电压。 类型按照集成运算放

17、大器的参数 来分 ,集成运算放大器可分为如下几类。 1.通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的 主要特点是价格低廉、 产品量大面广 ,其性能指标能适合于一 般性使用。例 卩A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四 运放 ）及以场效应管为输入级的 LF356 都属于此种。它们是 目前应用最为广泛的集成运算放大器。 2.高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高 ,输入偏 置电流非常小，一般rid1G Q1TQ ,IB为几皮安到几十皮安。 实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特 点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级

18、。用 FET 作输 入级,不仅输入阻抗高 ,输入偏置电流低 ,而且具有高速、宽带 和低噪声等优点 ,但输入失调电压较大。常见的集成器件有 LF355、LF347（ 四运放 ）及更高输入阻抗的 CA3130 、CA3140 等。 3.低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动 控制仪表中 ,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温 度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有 OP07 、 OP27 、 AD508 及由 MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件 ICL7650 等。4.高速型运算放大器在快速 A/D 和 D/A 转换器、 视频放大

19、器中 ,要求集成运算放大器的转换速率 SR 一定要高 ,单位增益带宽 BWG 一定要足够大 ,像通用型集成运放是不能 适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具 有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有 LM318 、 卩 A715等,其 SR=5070V/us,BWG20MHz 。5.低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路 小型轻便 ,所以随着便携式仪器应用范围的扩大 ,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运 算放大器有 TL-022C 、TL-060C 等,其工作电压为 2V18V, 消耗电流为50250卩A。目前有的产品功耗已达

20、yW级，例如ICL7600 的供电电源为 1.5V, 功耗为 10mW, 可采用单节电池 供电。 6. 高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主 要受供电电源的限制。 在普通的运算放大器中 ,输出电压的最 大值一般仅几十伏 , 输出电流仅几十毫安。 若要提高输出电压 或增大输出电流 ,集成运放外部必须要加辅助电路。 高压大电 流集成运算放大器外部不需附加任何电路 ,即可输出高电压和大电流。例如 D41 集成运放的电源电压可达 150V, y A791 集成运放的输出电流可达 1A。7.可编程控制运算放大器在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题 .为了得到固定电压得输出 ,就必须改变运算

21、放大器得放大倍数 .例如 :有一运算放大器得放大倍数为 10 倍,输入信号为 1mv 时,输出电压 为 10mv, 当输入电压为 0.1mv 时,输出就只有 1mv, 为了得到 10mv 就必须改变放大倍数为 100. 程控运放就是为了解决这一问题而产生得 .例如 PGA103A, 通过控制 1,2 脚的电平来改 变放大的倍数 .主要参数 1.共模输入电阻 (RINCM) 该参数表 示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围 内偏置电流的变化量之比。 2.直流共模抑制 (CMRDC) 该参数 用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号 的抑制能力。 3.交流共模抑制 (CMR

22、AC)CMRAC 用于衡量运 算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力， 是差模开环增益除以共模开环增益的函数。 4. 增益带宽积(GBW) 增益带宽积 AOL * ? 是一个常量，定义在开环增益随 频率变化的特性曲线中以 -20dB/ 十倍频程滚降的区域。 5. 输 入偏置电流 (IB) 该参数指运算放大器工作在线性区时流入输 入端的平均电流。 6. 输入偏置电流温漂 (TCIB) 该参数代表输 入偏置电流在温度变化时产生的变化量。 TCIB 通常以 pA/ C 为单位表示。 7.输入失调电流 (IOS) 该参数是指流入两个输入 端的电流之差。 8.输入失调电流温漂 (TCIOS)

23、 该参数代表输 入失调电流在温度变化时产生的变化量。 TCIOS 通常以 pA/C为单位表示。9.差模输入电阻(RIN)该参数表示输入电 压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致 电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共 模电压。10.输出阻抗 (ZO) 该参数是指运算放大器工作在线性 区时，输出端的内部等效小信号阻抗。 11. 输出电压摆幅 (VO) 该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大 电压摆幅的峰峰值， VO 一般定义在特定的负载电阻和电源 电压下。12.功耗(Pd)表示器件在给定电源电压下所消耗的静 态功率，Pd通常定义在空载情况下。13.电源抑制

24、比(PSRR) 该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出 不变的能力， PSRR 通常用电源电压变化时所导致的输入失 调电压的变化量表示。 14.转换速率 /压摆率 (SR) 该参数是指 输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR通常以V/ ys为单位表示，有时也分别表示成正向变化和 负向变化。15.电源电流(ICC、IDD)该参数是在指定电源电 压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。16. 单位增益带宽 (BW) 该参数指开环增益大于 1 时运算放大 器的最大工作频率。 17. 输入失调电压 (VOS) 该参数表示使输 出电压为零时需要在输入端作用的电

25、压差。 1 8.输入失调电压 温漂 (TCVOS) 该参数指温度变化引起的输入失调电压的变 化，通常以 卩V/ 为单位表示。19.输入电容(CIN)CIN表示 运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容 (另 一输入端接地)。20.输入电压范围(VIN)该参数指运算放大器 正常工作 (可获得预期结果 )时，所允许的输入电压的范围，VIN 通常定义在指定的电源电压下。 21. 输入电压噪声密度 (eN) 对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意 一个输入端的串联噪声电压源， eN 通常以 nV / 根号 Hz 为 单位表示，定义在指定频率。 22. 输入电流噪声密度 (iN) 对于 运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连 接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号 Hz 为单位表 示，定义在指定频率。