運算放大器(簡稱“運放”)是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，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。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計算機中用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，因而得名“運算放大器”。[1]
由于早期應(yīng)用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，故得名“運算放大器”。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當中。[2]
中文名
運算放大器
外文名
operational amplifier
簡 稱
運放主要參數(shù)
共模抑制、增益帶寬積等
屬 性
具有很高放大倍數(shù)的電路單元
材 質(zhì)
晶體管
運算放大器簡介
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語音
運算放大器是一個內(nèi)含多級放大電路的電子集成電路，其輸入級是差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點漂移能力;中間級主要進行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù)，一般由共射極放大電路構(gòu)成;輸出極與負載相連，具有帶載能力強、低輸出電阻特點。運算放大器的應(yīng)用非常廣泛。[3]
運算放大器原理
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運放如圖有兩個輸入端a(反相輸入端)，b(同相輸入端)和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向
運算放大器
輸入端和輸出端。當電壓U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點，它相當于電路中的參考結(jié)點。)之間，且其實際方向從a 端高于公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號標出，但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性。電壓的正負極性應(yīng)另外標出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：[2]
運算放大器
一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出端口(Out)和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。[2]
運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。[2]
運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌(rail-to-rail)輸入運算放大器。[2]
運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0(E1-E2)，其中，A0 是運放的低頻開環(huán)增益(如 100dB，即 100000 倍)，E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。[2]
運算放大器分類
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按照集成運算放大器的參數(shù)來分，集成運算放大器可分為如下幾類。
運算放大器通用型
運算放大器通用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標能適合于一般性使用。例μA741(單運放)、LM358(雙運放)、LM324(四運放)及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運算放大器。[2]
運算放大器高阻型
這類集成運算放大器的特點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。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點，用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級，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，但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347(四運放)及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。[2]
運算放大器低溫漂型
在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設(shè)計的。當前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。[2]
運算放大器高速型
在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求集成運算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運放有LM318、μA715等，其SR=50~70V/us,BWG>20MHz。[2]
運算放大器低功耗型
運算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有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μW級，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。[2]
運算放大器高壓大功率型
運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中，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，集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運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集成運放的電源電壓可達±150V，μA791集成運放的輸出電流可達1A。[2]
運算放大器可編程控制型
在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出，就必須改變運算放大器得放大倍數(shù).例如：有一運算放大器得放大倍數(shù)為10倍，輸入信號為1mv時，輸出電壓為10mv,當輸入電壓為0.1mv時，輸出就只有1mv，為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100。程控運放就是為了解決這一問題而產(chǎn)生的。例如PGA103A，通過控制1,2腳的電平來改變放大的倍數(shù)。[2]
運算放大器參數(shù)
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(1)共模輸入電阻
該參數(shù)表示運算放大器工作在線性區(qū)時，輸入共模電壓范圍與該范圍內(nèi)偏置電流的變化量之比。[4]
(2)直流共模抑制
該參數(shù)用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同直流信號的抑制能力。[4]
(3)交流共模抑制
CMRAC用于衡量運算放大器對作用在兩個輸入端的相同交流信號的抑制能力，是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。[4]
(4)增益帶寬積
增益帶寬積是一個常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。[4]
(5)輸入偏置電流
該參數(shù)指運算放大器工作在線性區(qū)時流入輸入端的平均電流。[4]
(6)偏置電流溫漂
該參數(shù)代表輸入偏置電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。[4]
(7)輸入失調(diào)電流
該參數(shù)是指流入兩個輸入端的電流之差。[4]
(8)輸入失調(diào)電流溫漂(TCIOS)
該參數(shù)代表輸入失調(diào)電流在溫度變化時產(chǎn)生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。[4]
(9)差模輸入電阻
該參數(shù)表示輸入電壓的變化量與相應(yīng)的輸入電流變化量之比，電壓的變化導(dǎo)致電流的變化。在一個輸入端測量時，另一輸入端接固定的共模電壓。[4]
(10)輸出阻抗
該參數(shù)是指運算放大器工作在線性區(qū)時，輸出端的內(nèi)部等效小信號阻抗。[4]
(11)輸出電壓擺幅
該參數(shù)是指輸出信號不發(fā)生箝位的條件下能夠達到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負載電阻和電源電壓下。[4]
(12)功耗
運算放大器表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態(tài)功率，Pd通常定義在空載情況下。[4]
(13)電源抑制比
該參數(shù)用來衡量在電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導(dǎo)致的輸入失調(diào)電壓的變化量表示。[4]
(14)轉(zhuǎn)換速率
該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/μs為單位表示，有時也分別表示成正向變化和負向變化。[4]
(15)電源電流
該參數(shù)是在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，這些參數(shù)通常定義在空載情況下。[4]
(16)單位增益帶寬
該參數(shù)指開環(huán)增益大于1時運算放大器的最大工作頻率。[4]
(17)輸入失調(diào)電壓
該參數(shù)表示使輸出電壓為零時需要在輸入端作用的電壓差。[4]
(18)輸入失調(diào)電壓溫漂(TCVOS)
該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以uV/°C為單位表示。[4]
(19)輸入電容
CIN表示運算放大器工作在線性區(qū)時任何一個輸入端的等效電容(另一輸入端接地)。[4]
(20)輸入電壓范圍
該參數(shù)指運算放大器正常工作(可獲得預(yù)期結(jié)果)時，所允許的輸入電壓的范圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。[4]
(21)輸入電壓噪聲密度(eN)
對于運算放大器，輸入電壓噪聲可以看作是連接到任意一個輸入端的串聯(lián)噪聲電壓源，eN通常以 nV / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。[4]
(22)輸入電流噪聲密度(iN)
對于運算放大器，輸入電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，連接到每個輸入端和公共端，通常以 pA / 根號Hz 為單位表示，定義在指定頻率。[4]
(23)理想運算放大器參數(shù)
差模放大倍數(shù)、差模輸入電阻、共模抑制比、上限頻率均無窮大;輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流及其溫漂，以及噪聲均為零。[4]
運算放大器型號命名
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運算放大器的國際統(tǒng)一型號命名法如下：型號由字母和阿拉伯數(shù)字兩部分組成.字母在首部，采用CF兩個字母，C表示符合國際標準，F(xiàn)表示線性放大器。其后部的阿拉伯數(shù)字表示運算放大器的類型。例如：通用運算放大器( F003、F007、F030)、高速運算放大器(F051B)、高精度運算放大器(F714)、高阻抗運算放大器(CF072)、低功耗運算放大器( F010)、雙運算放大器(CF358)以及四運算放大器(CF324)等。其中最典型、最普及的為F007(國外型號為tLA741、t1PC741)和CF324(國外型號為LM324)。[5]
運算放大器集成運算放大器的選擇和使用
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集成運算放大器類別、品種很多，應(yīng)根據(jù)實際使用要求合理選擇，規(guī)范使用。[5]
(1)盡量選用通用型集成運算放大器。當一個系統(tǒng)中使用多個運算放大器時，盡可能選用多運算放大器集成電路，例如LM324、LF347等都是將4個運算放大器封裝在一起的集成電路。[5]
(2)實際選擇集成運算放大器時，還要考慮信號源的性質(zhì)(是電壓源還是電流源)、負載的性質(zhì)、集成運算放大器輸出電壓和電流是否滿足要求、環(huán)境條件，集成運算放大器允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體積等因素是否滿足要求。例如：對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，選用轉(zhuǎn)換速率大的運算放大器比較合適;對于處理微弱直流信號的電路，選用精度比較高的運算放大器比較合適(即失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫漂均比較小)。[5]
(3)使用前要了解集成運算放大器的類別及電參數(shù)，弄清楚封裝形式、外引線排法、引腳接線、供電電壓范圍等。[5]
(4)消振網(wǎng)絡(luò)應(yīng)按要求接好，在能消振的前提下兼顧帶寬。
(5)集成運算放大器是電子電路的核心，為了減少損壞，應(yīng)采取適當?shù)谋Ｗo措施。[5]
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