运算放大器的工作原理

1、运算放大s得工作原理放大器得作用：仁能把输入讯号得电压或功率放人得装置，由电了管或晶体管电源 变压器与其她电器元件组成。用在通讯、广播.需达、电视、自动控制等各种装置中。 原 理：高频功率放人器用于发射机得末级，作用就是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功 率得炎求，然后经过天线将其辐射到空间,保证在定区域内得接收机可以接收到满意得信号电平，并且不干扰相邻信道得通信。高频功率放大器就是通信系统中发送装置得重要组件。按其工作频带得宽窄划分为窄带简频功率放人器与宽带高频功率放人器两种，窄带周频功率放人 器通常以具有选频滤波作用得选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放人器或谐振功率放 人器：

2、宽带简频功率放人器得输出电路则就是传输线变圧器或其她宽带匹配电路，W此又称为 非调谐功率放大器高频功率放人能就是种能量转换器件，它将电源供给得直流能量转换成为 高频交流输出在“低频电r线路噪程中己知倣人器可以按照电流导通角得不同,运算放人器原理运算放人器（Op e r atio n a 1 AmpI i Pier-简称 OP、OPA、OPAMP）就是种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（D 1 ffere ntialin, sing 1 eended o utput）得高增益（gain）电压放人器阴为刚开始主耍用于加法，乘法等运算电路中 W而得名个理想得运算放大器必须具备下列特性：

3、无限人得输入阻抗.等于零得输出阻抗、无限人得 开回路增益、无限大得共模計#斥比得部分.无限人得频宽。最基本得运算放人器如图1-1- 一 个运算放人器模组般包括个正输入端（OP_P、 个负输入端（OP_N与个输出端（0P_0）。图11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。原因就是运算放人器得电压増益非常大，范圉从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路得稳定运作。但就是这并不代衣运算放人器不 能 连接成正回馈（positive f e edbac k ）,相反地，在很多需要产生

4、震荡讯号得系统中，正回馈 组态得运算放大器就是很常见得组成元件。开环回路图1_2开环回路运算放人器开环回路运算放大器如图1-2.当个埋想运算放人器采用开回路得力式工作时,其输出 与输入电压得关系式如下:Vout = ( V+V-) * Aog其中Aog代农运算放人器得开环回路差动增益(op enloopdi f feren t iai gai由于运算放人器得开环回路增益非常简，因此就算输入端得差动讯号很小，仍然会让输出讯号饱与(saturation)，导致非线性得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得例外就是用运算放大器做比较器(par a lor),比较器得输出通常为逻辑

5、准位元得0与 rij闭环负反馈将运算放大器得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御状况，此时 通常可以将电路简单地称为闭环放人器闭环放犬器依据输入讯号进入放人器御端点，又可分为 反相(1 nverting)放大器与非反相(non- inver t ing)放人器两种.反相I用环放人器如图1-3,假设这个闭环放大器使用理想得运算放人器，则因为其开环增 益为无 限人，所以运算放人器得两输入端为虚接地(virtual g r ound )，其输曲与输入电压紂关系式如下:Vout = CRf/Rin) * VinRf图13反相闭环放大器非反相闭环放人器如图14。假设这个闭环放大器使用

6、理想得运算放人器，则因为其开环 增益为无限大，所以运算放人器得两输入端电压差几乎为零,其输出与输入电圧得关系式如下:V out = ( (R2/R1)+1)* Vin图1 一非反相闭环放大器闭环正回馈将运算放大器得正向输入端与输出端连接起来，放器电路就处在正回馈得状况，由于正回 馈组态工作于i极不稳定得状态，多应用于需要产生菸荡讯号得应用中.理想运放与理想运放 条件在分析与综合运放应用电路时，人多数悄况下,可以将集成运放瞧成一个理想运算放人器。理 想运放顾名思义就是将集成运放得各项技术指标理想化。由于实际运放得技术指标比较接近理 想运放，因此由理想化带来得误差非常小，在一般得工程计算中可以忽略

7、.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 =2.输入电阻Rid = 8；输出电阻Rod =03输入偏g电流IB1=IB2=O ;4失调电压UI0、失调电流110、失调电圧溫漂.失调电流温漂均为零;5。共模抑制比CMRR6. 3dB 带宽 fH = 7 无内部干扰与噪声.实际运放得参数达到如下水平即可以按理想运放对待:电压放人倍数达到104-1 0 5倍;输入电阻达到1050=输出电阻小于几百欧姆； 外电路 中得电流远大于偏置电流：失调电压、失调电流及其温漂很小，造成电路得漂移在允许范圉之内, 电路得稳定性符合要求即可;输入最小信号时，有一定信噪 比,共摸抑制比犬于邹于6

8、 0 d B；带宽符合电路带宽要求即可.运算放大器中得虚短与虚断含意理想运放工作在线性区时可以得出二条重要得结论:虚短W为理想运放得电压放人倍数很犬，而运放工作在线性区，就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,运算放人器同相输入端与反相输入端得电位十分接 近相等。在运放供电电压为1 5V时,输出得最人值一般在10-13V.所以运放两输入端徉电压差，在ImV以下，近似两输入端短路。这一特性称为虚短显然这不就是真正得短路，只就是 分析电路时在允许误差范围之内得合理近似.虚断由于运放得输入电阻一般都在几百干欧以上，流入运放同相输入端与反相输入端中得电流十分微小，比外电路中得电

9、流小几个数量级，流入运放得电流往往可以忽略，这相当运放 得输入端开路，这特性称为虚断显然，运放得输入端不能真正开路运用“虚短”、断”这两个槪念,在分析运放线性应用电路时，可以简化应用电路得分析过 程。运算放大器构成得运算电路均要求输入与输出之间满足一定得函数关系，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 “虚断幷耳 特性。如果测量运放两输入端得 电位，达到几亳伏以上，往往该运放不在线性区工作，或者已经损坏.重更指标输入失调电斥UIO一个理想得集成运放，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 成运放得差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，

10、存在一定得输出电压输入失 调电压就是指为了使输出电压为零而在输入端加得补偿电压。实际上就是指输 入电圧为零时, 将输出电压除以电压放大倍数，折算到输入端得数值称为输入失调电压，即U 10得大小反应了运放得对称程度与电位配介情况U【0越小越好，其 量级在2mV-2OmV Z间.超低失调与低漂移运放得UIO 一般在WV20pV Z间输入失调电流110当输出电压为零时.差分输入级得差分对管展极得新态电流之差称为输入失调电流110 ,即由于信号源内阻得存在J 10得变化会引起输入电压得变化,使运放输出电压不为零 110愈小，输入级差分对管得对称程度越好，般约为1 nAO、IpA.输入偏置电流IIB集成

11、运放输出电压为零时，运放两个输入端静态偏置电流得平均值定义为输入偏置电流,从使用角度来睡，偏置电流小好，由于信号源内阻变化引起得输出电压变化也愈小，故输入 偏置电流就是重要得技术指标-般IIB约为InA0、1 pAo输入失调电压温漂UI0/AT输入失调电压温漂就是指在规定工作温度范围内，输入失调电乐随温度得变化量与温度变 化量得比值。它就是衡量电路温漂得重要指标,不能用外接调零装置得办法来补偿输入失调电 压温漂越小越好。般得运放得输入失调电压温漂在 1 mV/C20mVrC之间。输入失调电流温漂IIO/AT在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度御变化量与温度变化量之比值称为输入失调 电流温漂

12、。输入失调电流温漂就是放大电路电流漂移得量度，不能用外接调零装豐来补偿。禹 质量得运放每度几个pA最大差模输入电压Uidma x最大差模输入电压Uidma X就是指运放两输入端能承受得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，而使运放得性能显著恶化，甚至造成损坏-根据工艺不同,Uid max 约为5V、3 0 V。最人共模输入电压Uicmax最大共模输入电压Uicmax就是指在保证运放正常工作条件下，运放所能承受得最人共模 输入电圧共模电压超过此值时，输入差分对管得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大共模输入电压Uicmax定义为，标称电源电压下

13、将运放接成电尿跟随器时，使 输出电 压产生1%跟随俣差得共模输入电压值;或定义为下降6dB时所加得共模输入电压值开环差模电压放人倍数Aud就是指集成运放工作在线性区、接入规定得负戦，输岀电压 得变化量与运放输入端口处得输入电压得变化量之比。运放得Aud在6012 0dB之间。不同功能得运放,Aud相差悬殊。差模输入电阻Rid就是指输入差模信号时运放得输入电阻。Rid越大，对信号源得影响越 小，运放得输入电阻Rid-般都在几百 千欧以上。运放共模抑制比KCMR得定义与差分放犬电路中得定义相同.就是差模电压放人倍数与 共模电压放人倍数Z比，常用分贝数来农示。不同功能得运放,KCMR也不相同.有得在

14、6070dB之间，有得烏达180dB。KCMR越人，对共模干扰抑制能力越强开环带宽BW开环带宽又称一3 dB带宽，就是指运算放大器得差模电圧放大倍数Aud在高频段下降 3dB所对应得频率fH.单位增益带宽BWG就是指信号频率增加，使Aud下降到1时所对应得频率fT,即Aud 为OdB时得信号频率fT它就是集成运放得重要参数741型运放得rT=7H2.就是比较低得转换速率SR （压摆率）转换速率SR就是指放人电路在电压放人倍数等于1得条件下，输入人信号（例如阶跃 信号）时，放大电路输出电压对时间得最人变化速率，见图7-1-1,它反映了运放对于快 速变化 得输入信号得响应能力。转换速率SR徉衣达式

15、为转换速率SR就是在人信号与周频信号工作时得一项重要指标，目前一般通用型运放压摆 率在11OV/P $左右。图7-11斥摆率示意图单位增益带宽BWG C f T）共模抑制比KCMR差模输入电阻开坏差模电压放人倍数Aud一般可将运放简单地视为:具有一个信号输出端口（Out）与同相、反相两个高阻 抗输入端得高增益直 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.运放得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，在差动输入电圧为零时输出也可置零。釆 用单电源供电得运放，输出在电源与地之间得某一范围变化。运放得输入电位通常要求高于负电源某一数值

16、，而低于正电源某一数值。经过特殊设计得运 放可以允许输入电位在从负电源到正电源得整个区间变化，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-ra订）输入 运算放大器运算放大器得输出信号与两个输入端得信号电压差成正比，在音频 段有:输出电圧二A0 （ E 1E 2 ）.其中，A0就是运放得低频开环增益 2 0 Mil乙5低功耗型运算放大器山于电子电路集成化得最大优点就是能使复杂电路小型轻便，所以随着便携 式仪器应用范W得扩大，必须使用低电源电压供电、低功率消耗得运算放大器相 适用。常用得运算放大器有TL0 2 2C、TL060 C等,其工作电压为2V1 8V

17、,消耗电流为5 0- 2 50 U Ao目前有得产品功耗已达H W级，例如I CL76 0 0 得供电电源为1、5V,功耗为lOmW,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得输出电压主要受供电电源得限制。在普通得运算放大器中，输 出电压得最大值一般仅儿十伏,输出电流仅儿十毫安若要提高输出电圧或增大 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，即可输出高电压与大电流。例如D41集成运放得电源电压可达 150V, UA7 9 1集成运放得输出电流可达1 A。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

18、压得输 出，就必须改变运算放大器得放大倍数、例如:有一运算放大器得放大倍数为I 0 倍，输入信号为Imv时,输出电压为lOmv,当输入电压为0、Imv时，输出就只有 Imv,为了得到lOmv就必须改变放大倍数为1 0 0、程控运放就就是为了解决这一 问题而产生得、例如PGA 1 0 3A,通过控制1 , 2脚得电平来改变放大得倍数、编辑本段主要参数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,输入共模电压范圉与该范圉内偏置 电流得变化量之比。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得相同直流信号得抑制能 力3、交流共模抑制(CMRAC)CM

19、R AC用于衡量运算放大器对作用在两个输入端得相同交流信号得抑制 能力，就是差模开环增益除以共模开环增益得函数.4、增益带宽积(GBW)增益带宽积AOL * /就是一个常量，定义在开环增益随频率变化得特性曲 线中以一20dB /十倍频程滚降得区域。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得平均电流。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得变化量.TC I B通常以P A/ O C为单位表示。7、输入失调电流(IOS)该参数就是指流入两个输入端得电流之差.8、输入失调电流温漂(TC I OS)该参数代表输入失调电流在温度变化时产生得变化量。TC I OS通常以pA / O C为单位表示.9、差模输入电阻(RIN)该参数表示输入电压得变化量与相应得输入电流变化量之比，电圧得变化导 致电流得变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定得共模电压。1 0、输出阻抗(Z0)该参数就是指运算放大器工作在线性区时，输出端得内部等效小信号阻 抗。1 1、输出电压摆幅(V0)该参数就是指输出信号不发生箝位得条件下能够达到得最大电压摆幅得峰 峰值，V0般定义在特定得负载电阻与电源电压下.12、功耗(Pd)表示器件在给定电源电压下所消耗得静态功率，Pd