運(yùn)算放大器具有哪些輸入輸出特性？

運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，因而得名“運(yùn)算放大器”。

  由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

運(yùn)算放大器(OperaTIonal Amplifier,簡(jiǎn)稱(chēng)OP、OPA、OPAMP)是一種直流耦合﹐差模(差動(dòng)模式)輸入、通常為單端輸出(DifferenTIal-in, single-ended output)的高增益(gain)電壓放大器，因?yàn)閯傞_(kāi)始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無(wú)限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。

一個(gè)運(yùn)算放大器模組一般包括一個(gè)正輸入端(OP_P)、一個(gè)負(fù)輸入端(OP_N)和一個(gè)輸出端(OP_O)。

最基本的運(yùn)算放大器

如圖所示，其中標(biāo)有“+”號(hào) 的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端)，另一只標(biāo)有“一”號(hào)的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負(fù)端，如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信 號(hào)，則在輸出端會(huì)得到電壓相同但極性相反的輸出信號(hào)：輸出端輸出的信號(hào)與同相輸人端的信號(hào)同相，而與反相輸入端的信號(hào)反相。

運(yùn)算放大器有一些特性，靈活應(yīng)用這些特性可以獲得很多獨(dú)特的用途，總的來(lái)說(shuō)，這些特性可以綜合為兩條：

1、運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為無(wú)窮大。

2、運(yùn)算放大器的輸入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零。

運(yùn)算放大器的分類(lèi)

按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類(lèi)。

1.通用型運(yùn)算放大器

通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例μA741(單運(yùn)放)、LM358(雙運(yùn)放)、LM324(四運(yùn)放)及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。

2.高阻型運(yùn)算放大器

這類(lèi)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是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。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí),不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF355、LF347(四運(yùn)放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。

3.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,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。

4.高速型運(yùn)算放大器

在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中,要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、μA715等,其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。

5.低功耗型運(yùn)算放大器

由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250μA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)μW級(jí),例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。

6.高壓大功率型運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V,μA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。

7.可編程控制運(yùn)算放大器

在儀器儀表得使用過(guò)程中都會(huì)涉及到量程得問(wèn)題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運(yùn)算放大器得放大倍數(shù).例如:有一運(yùn)算放大器得放大倍數(shù)為10倍,輸入信號(hào)為1mv時(shí),輸出電壓為10mv,當(dāng)輸入電壓為0.1mv時(shí),輸出就只有1mv,為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100.程控運(yùn)放就是為了解決這一問(wèn)題而產(chǎn)生得.例如PGA103A,通過(guò)控制1,2腳的電平來(lái)改變放大的倍數(shù).

)。輸出電壓與輸入電壓之比稱(chēng)為開(kāi)環(huán)增益或開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)。本文只介紹運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的功能和分析方法。在線性區(qū)內(nèi)，運(yùn)放的電路模型。

運(yùn)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(yùn)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(fù)號(hào)(-)表示，同相輸入用正號(hào)(+)表示。運(yùn)算放大器的作用是放大輸入之間的電壓差，這對(duì)于信號(hào)鏈、電源和控制應(yīng)用等各種模擬功能非常有用。

運(yùn)算放大器的分類(lèi)

有四種方法可以對(duì)運(yùn)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(zhuǎn)換為電流輸出的跨導(dǎo)放大器。

● 將電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸出的跨阻放大器。

大多數(shù)運(yùn)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(yùn)算放大器：關(guān)鍵特性和參數(shù) 運(yùn)算放大器有很多重要特性和參數(shù)(見(jiàn)圖1)，下面將做詳細(xì)描述。

開(kāi)環(huán)增益：運(yùn)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(cè)得的增益。開(kāi)環(huán)意味著反饋路徑即反饋環(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(fù)電壓軌的翻轉(zhuǎn)。高開(kāi)環(huán)增益在閉環(huán)配置中非常有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽谡麄€(gè)溫度、工藝和信號(hào)變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電路性能。

輸入阻抗

運(yùn)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(fù)輸入端子之間測(cè)得，理想情況下，輸入阻抗無(wú)窮大，使源負(fù)載盡可能小(實(shí)際上輸入端會(huì)有很小的漏電流)。在運(yùn)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(jǐn)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(yùn)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(qū)動(dòng)和電壓緩沖能力。

頻率響應(yīng)和帶寬(BW)

理想的運(yùn)算放大器具有無(wú)窮大的帶寬(BW)，并且無(wú)論信號(hào)頻率如何變化，都能保持高增益。但實(shí)際上所有運(yùn)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(yùn)算放大器性能也更優(yōu)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谳^高的頻率下仍可保持較高增益，但較高的增益也會(huì)導(dǎo)致更大功耗或更高的成本。