【導讀】運算放大器（op amp）是一種模擬電路模塊，它采用差分電壓輸入，產(chǎn)生單端電壓輸出。運算放大器通常有三個(gè)端子：兩個(gè)高阻抗輸入端子和一個(gè)低阻抗輸出端子。反相輸入用負號（-）表示，同相輸入用正號（+）表示。運算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對于信號鏈、電源和控制應用等各種模擬功能非常有用。
運算放大器是什么？
運算放大器（op amp）是一種模擬電路模塊，它采用差分電壓輸入，產(chǎn)生單端電壓輸出。
運算放大器通常有三個(gè)端子：兩個(gè)高阻抗輸入端子和一個(gè)低阻抗輸出端子。反相輸入用負號（-）表示，同相輸入用正號（+）表示。運算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對于信號鏈、電源和控制應用等各種模擬功能非常有用。
運算放大器的分類(lèi)
有四種方法可以對運算放大器進(jìn)行分類(lèi)：
● 吸收電壓并在輸出端產(chǎn)生電壓的電壓放大器。
● 接收電流輸入并產(chǎn)生電流輸出的電流放大器。
● 將電壓輸入轉換為電流輸出的跨導放大器。
● 將電流輸入轉換為電壓輸出的跨阻放大器。
大多數運算放大器都用于電壓放大，因此本文將重點(diǎn)介紹電壓放大器。 運算放大器：關(guān)鍵特性和參數 運算放大器有很多重要特性和參數（見(jiàn)圖1），下面將做詳細描述。
圖1：運算放大器原理圖
開(kāi)環(huán)增益
開(kāi)環(huán)增益：運算放大器的開(kāi)環(huán)增益中的（圖1中的“A” ) 是電路無(wú)反饋時(shí)所測得的增益。開(kāi)環(huán)意味著(zhù)反饋路徑即反饋環(huán)路開(kāi)路。開(kāi)環(huán)增益通常必須非常大（10,000+）才能發(fā)揮作用，但電壓比較器除外。
電壓比較器比較輸入端子之間的電壓。輸入端子之間很小的電壓差，都可引起輸出正負電壓軌的翻轉。高開(kāi)環(huán)增益在閉環(huán)配置中非常有用，因為它們可以在整個(gè)溫度、工藝和信號變化范圍內實(shí)現穩定的電路性能。
輸入阻抗
運算放大器的另一個(gè)重要特性是它們通常具有高輸入阻抗 (圖1中的“ZIN”). 輸入阻抗在正負輸入端子之間測得，理想情況下，輸入阻抗無(wú)窮大，使源負載盡可能?。▽?shí)際上輸入端會(huì )有很小的漏電流）。在運算放大器周?chē)挤烹娐房赡軙?huì )明顯改變電源的有效輸入阻抗，因此必須謹慎配置外部組件和反饋環(huán)路。還有一點(diǎn)也很重要，輸入阻抗不僅僅由輸入直流電阻決定，輸入電容也會(huì )影響電路性能，必須考慮到這一點(diǎn)。
輸出阻抗
理想情況下，運算放大器的輸出阻抗為零 (圖一中的“ZOUT”)。但實(shí)際上輸出阻抗通常具有較小的值，這決定了它的電流驅動(dòng)和電壓緩沖能力。
頻率響應和帶寬（BW）
理想的運算放大器具有無(wú)窮大的帶寬（BW），并且無(wú)論信號頻率如何變化，都能保持高增益。但實(shí)際上所有運算放大器都具有有限的帶寬，通常稱(chēng)為“ -3dB”帶寬，超過(guò)該帶寬，放大器的增益以-20dB / decade的速率隨頻率增加而下降。具有較高帶寬的運算放大器性能也更優(yōu)，因為它們在較高的頻率下仍可保持較高增益，但較高的增益也會(huì )導致更大功耗或更高的成本。
圖2：運算放大器的開(kāi)環(huán)頻率響應曲線(xiàn)
增益帶寬積（GBP）
顧名思義，GBP是放大器增益和帶寬的乘積。GBP是整個(gè)曲線(xiàn)上的常數，可以通過(guò)公式（1）來(lái)計算：
GBP是在運算放大器的增益達到單位增益的頻率點(diǎn)測得。用戶(hù)可以用它來(lái)計算不同頻率下設備的開(kāi)環(huán)增益。GBP通常用于衡量一個(gè)運放是否有用并衡量其性能，因為具有較高GBP的運算放大器可在較高頻率下提供更佳性能。
這些都是在設計中選擇運算放大器時(shí)要考慮的主要參數，但根據應用和性能需求，還有許多其他參數也會(huì )影響設計選擇，如輸入失調電壓、噪聲、靜態(tài)電流和電源電壓等。
負反饋和閉環(huán)增益
在運算放大器中，負反饋是通過(guò)將一部分輸出信號通過(guò)外部反饋電阻器饋送回反相輸入端來(lái)實(shí)現的 （見(jiàn)圖3）。
圖3：反相運算放大器的負反饋
負反饋用于穩定增益。通過(guò)使用負反饋，閉環(huán)增益可以通過(guò)外部反饋組件來(lái)確定，它比通過(guò)運算放大器內部組件確定增益具有更高的精度。因為內部運算放大器組件可能由于工藝變化、溫度變化、電壓變化和其他因素而差異很大。閉環(huán)增益可通過(guò)公式（2）來(lái)計算：
運算放大器：優(yōu)點(diǎn)和局限性
使用運算放大器有很多好處。它通常以IC的形式出現，很容易購買(mǎi)，有無(wú)數種可選的性能規格，可以滿(mǎn)足所有應用需求。它用途廣泛，是許多模擬應用（包括濾波器設計、電壓緩沖器，比較器電路及許多其他應用）的關(guān)鍵組成部分。此外，大多數公司都提供仿真支持，例如PSPICE模型，可以供設計人員在構建實(shí)際設計之前驗證其運算放大器的設計。
其局限性在于它們是模擬電路，它要求設計人員了解模擬基本原理，如負載、頻率響應和穩定性等。設計一個(gè)看似簡(jiǎn)單的運放電路，最后卻出現振蕩，這種情況并不少見(jiàn)。設計人員必須了解前文討論的這些關(guān)鍵參數，了解它們如何影響設計，這也通常意味著(zhù)設計人員必須具備中上水平的模擬設計經(jīng)驗。
運算放大器配置拓撲
運算放大器有多種不同的電路拓撲，各具不同的功能。最常見(jiàn)的拓撲描述如下。
電壓跟隨器
最基本的運算放大器電路是電壓跟隨器（參見(jiàn)圖4）。這種電路通常不需要外部組件，它提供高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此是很有用的緩沖器。其輸入和輸出電壓相等，輸入變化會(huì )產(chǎn)生等效的輸出電壓變化。
圖4: 電壓跟隨器
電子設備中最常用的運算放大器是電壓放大器，它可以增加輸出電壓的幅度。反相配置和同相配置是兩種最常見(jiàn)的放大器配置。這兩種拓撲都為閉環(huán)，這意味著(zhù)輸出端有反饋返回到輸入端子，因此電壓增益由兩個(gè)電阻的比率設定。
反相運算放大器
在反相運算放大器中，正輸入端通常接地，負輸入端子被強制等于正輸入端。其輸入電流由VIN / R1之比決定 （見(jiàn)圖5）。
圖5: 反相運算放大器
在這種配置中，相同的電流通過(guò)R2流至輸出。理想情況下，由于其高ZIN，電流不會(huì )流入運算放大器的負端子。通過(guò)R2流經(jīng)負端子的電流產(chǎn)生相對于VIN的反相電壓極性。 這就是為什么這種運算放大器被稱(chēng)為反相配置的原因。請注意，運算放大器的輸出只能在其正電源和負電源之間擺動(dòng)，因此要產(chǎn)生負輸出電壓，就需要一個(gè)具有負電源軌的運算放大器。 VOUT可用 公式（3）來(lái)計算：
同相運算放大器
在同相放大器電路中，來(lái)自電源的輸入信號連接到同相（+）端子（請參見(jiàn)圖6）。
圖6: 同相運算放大器
運算放大器迫使反相（-）端子電壓等于輸入電壓，從而產(chǎn)生流經(jīng)反饋電阻的電流。輸出電壓始終與輸入電壓同相，這就是為什么將此拓撲稱(chēng)為同相的原因。請注意，對于同相放大器，電壓增益始終大于1，而對于反相配置，則并非總是如此。 VOUT可用 公式（4）來(lái)計算：:
電壓比較器
運算放大器電壓比較器可以比較電壓輸入，并將輸出驅動(dòng)到輸入較高的電源軌上。由于沒(méi)有反饋，這種配置被認為是開(kāi)環(huán)操作。電壓比較器的優(yōu)勢是運行速度比上述閉環(huán)拓撲快很多（見(jiàn)圖7）。
圖7: 電壓比較器
如何選擇適合應用的運算放大器
以下內容介紹如何選擇運算放大器才能適合您的應用。
首先， 選擇一個(gè)可以滿(mǎn)足您需要的工作電壓范圍的運算放大器。通過(guò)查看放大器的電源電壓可以獲得此信息。電源電壓可能為VDD（+）和地（單電源），也可能放大器同時(shí)支持正電源和負電源。如果輸出需要支持負電壓，則需要負電源。
其次，考慮放大器的GBP。如果您的應用需要支持較高頻率，或需要較高性能和較低失真，則考慮使用具有較高GBP的運算放大器。
功耗是另一個(gè)需要考慮的因素，因為某些應用可能需要低功耗操作。通常在器件的數據手冊中可以找到建議的功率要求，通常列為電源電流和功耗。功耗也可以根據電源電流和電源電壓的乘積來(lái)估算。通常，具有較低電源電流的運算放大器具有較低的GBP，當然電路性能也較差。 對于要求較高精度的應用，設計人員應特別注意放大器的輸入失調電壓，因為該電壓會(huì )導致放大器的輸出電壓失調。
總結
運算放大器在許多模擬和電源應用中都被廣泛使用。其好處在于，它很常見(jiàn)、文檔和技術(shù)支持都很成熟，而且非常容易使用和實(shí)現。它可用于多種應用，例如電壓緩沖器、創(chuàng )建模擬濾波器和閾值檢測器。深入了解運算放大器相關(guān)關(guān)鍵參數和通用拓撲，可以幫助您在電路中成功應用它。
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