運(yùn)算放大器的工作原理

1、里運(yùn)算放大器的工作原理放大器的作用：1、能把輸入訊號(hào)的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等各種裝置中。原理:高頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿(mǎn)足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過(guò)天線(xiàn)將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以接收到滿(mǎn)意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱(chēng)為調(diào)諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻

2、功率放大器的輸出電路則是傳輸線(xiàn)變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱(chēng)為非調(diào)諧功率放大器。高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成為高頻交流輸出在低頻電子線(xiàn)路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，運(yùn)算放大器原理運(yùn)算放大器（OperationalAmplifier,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-endedoutput）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、

3、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。最基本的運(yùn)算放大器如圖1-1o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）。圖1-1通常使用運(yùn)算放大器時(shí)，會(huì)將其輸出端與其反相輸入端（invertinginputnode）連接，形成一負(fù)反饋（negativefeedback）組態(tài)。原因是運(yùn)算放大器的電壓增益非常大，范圍從數(shù)百至數(shù)萬(wàn)倍不等，使用負(fù)反饋方可保證電路的穩(wěn)定運(yùn)作。但是這并不代表運(yùn)算放大器不能連接成正回饋(positivefeedback),相反地，在很多需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的系統(tǒng)中，正回饋組態(tài)的運(yùn)算放大器是很常見(jiàn)的組成元件。

4、開(kāi)環(huán)回路圖1-2開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)回路運(yùn)算放大器如圖1-2。當(dāng)一個(gè)理想運(yùn)算放大器采用開(kāi)回路的方式工作時(shí)，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：Vout=(V+-V-)*Aog其中Aog代表運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路差動(dòng)增益(open-loopdifferentialgai由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)回路增益非常高，因此就算輸入端的差動(dòng)訊號(hào)很小，仍然會(huì)讓輸出訊號(hào)飽和(saturation),導(dǎo)致非線(xiàn)性的失真出現(xiàn)。因此運(yùn)算放大器很少以開(kāi)環(huán)回路出現(xiàn)在電路系統(tǒng)中，少數(shù)的例外是用運(yùn)算放大器做比較器(comparator)，比較器的輸出通常為邏輯準(zhǔn)位元的0J與1。閉環(huán)負(fù)反饋將運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電

5、路就處在負(fù)反饋組態(tài)的狀況，此時(shí)通常可以將電路簡(jiǎn)單地稱(chēng)為閉環(huán)放大器。閉環(huán)放大器依據(jù)輸入訊號(hào)進(jìn)入放大器的端點(diǎn)，又可分為反相(inverting)放大器與非反相(non-inverting)放大器兩種。反相閉環(huán)放大器如圖1-3。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端為虛接地(virtualground),其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如下：Vout=-(Rf/Rin)*Vin圖1-3反相閉環(huán)放大器非反相閉環(huán)放大器如圖1-4。假設(shè)這個(gè)閉環(huán)放大器使用理想的運(yùn)算放大器，則因?yàn)槠溟_(kāi)環(huán)增益為無(wú)限大，所以運(yùn)算放大器的兩輸入端電壓差幾乎為零，其輸出與輸入電壓的關(guān)系式如

6、下:圖1-4非反相閉環(huán)放大器閉環(huán)正回饋將運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端連接起來(lái)，放大器電路就處在正回饋的狀況，由于正回饋組態(tài)工作于一極不穩(wěn)定的狀態(tài)，多應(yīng)用于需要產(chǎn)生震蕩訊號(hào)的應(yīng)用中。理想運(yùn)放和理想運(yùn)放條件在分析和綜合運(yùn)放應(yīng)用電路時(shí)，大多數(shù)情況下，可以將集成運(yùn)放看成一個(gè)理想運(yùn)算放大器。理想運(yùn)放顧名思義是將集成運(yùn)放的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想化。由于實(shí)際運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)比較接近理想運(yùn)放，因此由理想化帶來(lái)的誤差非常小，在一般的工程計(jì)算中可以忽略。理想運(yùn)放各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)具體如下:1 .開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod=8；2 .輸入電阻Rid=罟輸出電阻Rod=03 .輸入偏置電流舊1=舊2=0;一%4 .失調(diào)電壓UIO

7、、失調(diào)電流IIO、失調(diào)電壓溫漂&T、失調(diào)電流溫漂dT均為零；5 .共模抑制比CMRR=8;6 .-3dB帶寬fH=8；7 .無(wú)內(nèi)部干擾和噪聲。實(shí)際運(yùn)放的參數(shù)達(dá)到如下水平即可以按理想運(yùn)放對(duì)待：電壓放大倍數(shù)達(dá)到104105倍；輸入電阻達(dá)到105Q;輸出電阻小于幾百歐姆；外電路中的電流遠(yuǎn)大于偏置電流；失調(diào)電壓、失調(diào)電流及其溫漂很小，造成電路的漂移在允許范圍之內(nèi)，電路的穩(wěn)定性符合要求即可；輸入最小信號(hào)時(shí)，有一定信噪比，共模抑制比大于等于60dB;帶寬符合電路帶寬要求即可。運(yùn)算放大器中的虛短和虛斷含意理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)可以得出二條重要的結(jié)論：虛短因?yàn)槔硐脒\(yùn)放的電壓放大倍數(shù)很大，而運(yùn)放工作在線(xiàn)

8、性區(qū)，是一個(gè)線(xiàn)性放大電路，輸出電壓不超出線(xiàn)性范圍（即有限值），所以，運(yùn)算放大器同相輸入端與反相輸入端的電位十分接近相等。在運(yùn)放供電電壓為力5V時(shí)，輸出的最大值一般在1013V。所以運(yùn)放兩輸入端的電壓差，在1mV以下，近似兩輸入端短路。這一特性稱(chēng)為虛短，顯然這不是真正的短路，只是分析電路時(shí)在允許誤差范圍之內(nèi)的合理近似。虛斷由于運(yùn)放的輸入電阻一般都在幾百千歐以上，流入運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端中的電流十分微小，比外電路中的電流小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，流入運(yùn)放的電流往往可以忽略，這相當(dāng)運(yùn)放的輸入端開(kāi)路，這一特性稱(chēng)為虛斷。顯然，運(yùn)放的輸入端不能真正開(kāi)路。運(yùn)用虛短"、虛斷”這兩個(gè)概念，在分析運(yùn)放線(xiàn)性應(yīng)用

9、電路時(shí)，可以簡(jiǎn)化應(yīng)用電路的分析過(guò)程。運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路均要求輸入與輸出之間滿(mǎn)足一定的函數(shù)關(guān)系，因此均可應(yīng)用這兩條結(jié)論。如果運(yùn)放不在線(xiàn)性區(qū)工作，也就沒(méi)有虛短"、虛斷”的特性。如果測(cè)量運(yùn)放兩輸入端的電位，達(dá)到幾毫伏以上，往往該運(yùn)放不在線(xiàn)性區(qū)工作，或者已經(jīng)損壞。重要指標(biāo)輸入失調(diào)電壓UIO一個(gè)理想的集成運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為零（不加調(diào)零裝置）。但實(shí)際上集成運(yùn)放的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱(chēng)，通常在輸入電壓為零時(shí)，存在一定的輸出電壓。輸入失調(diào)電壓是指為了使輸出電壓為零而在輸入端加的補(bǔ)償電壓。實(shí)際上是指輸入電壓為零時(shí)，將輸出電壓除以電壓放大倍數(shù)，折算到輸入端的數(shù)值稱(chēng)為輸入失調(diào)

10、電壓，即UIO的大小反應(yīng)了運(yùn)放的對(duì)稱(chēng)程度和電位配合情況。UIO越小越好，其量級(jí)在2mV20mV之間，超低失調(diào)和低漂移運(yùn)放的UIO一般在1aV20”之間輸入失調(diào)電流IIO當(dāng)輸出電壓為零時(shí)，差分輸入級(jí)的差分對(duì)管基極的靜態(tài)電流之差稱(chēng)為輸入失調(diào)電流IIO,即由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，IIO的變化會(huì)引起輸入電壓的變化，使運(yùn)放輸出電壓不為零。IIO愈小，輸入級(jí)差分對(duì)管的對(duì)稱(chēng)程度越好，一般約為1nAO.IA。輸入偏置電流I舊集成運(yùn)放輸出電壓為零時(shí)，運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)偏置電流的平均值定義為輸入偏置電流，即從使用角度來(lái)看，偏置電流小好，由于信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故輸入偏置電流是重要的技術(shù)指標(biāo)。一般

11、I舊約為1nA0.1aA。輸入失調(diào)電壓溫漂UIO/T輸入失調(diào)電壓溫漂是指在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量的比值。它是衡量電路溫漂的重要指標(biāo)，不能用外接調(diào)零裝置的辦法來(lái)補(bǔ)償。輸入失調(diào)電壓溫漂越小越好。一般的運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±1mV/C±20mV/C之間。輸入失調(diào)電流溫漂IIO/T在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量之比值稱(chēng)為輸入失調(diào)電流溫漂。輸入失調(diào)電流溫漂是放大電路電流漂移的量度，不能用外接調(diào)零裝置來(lái)補(bǔ)償。高質(zhì)量的運(yùn)放每度幾個(gè)pA。最大差模輸入電壓Uidmax最大差模輸入電壓Uidmax是指運(yùn)放兩輸入端能承受的最大

12、差模輸入電壓。超過(guò)此電壓，運(yùn)放輸入級(jí)對(duì)管將進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，而使運(yùn)放的性能顯著惡化，甚至造成損壞。根據(jù)工藝不同，Uidmax約為i5V士30V。最大共模輸入電壓Uicmax最大共模輸入電壓Uicmax是指在保證運(yùn)放正常工作條件下，運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。共模電壓超過(guò)此值時(shí)，輸入差分對(duì)管的工作點(diǎn)進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，放大器失去共模抑制能力，共模抑制比顯著下降。最大共模輸入電壓Uicmax定義為，標(biāo)稱(chēng)電源電壓下將運(yùn)放接成電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓值；或定義為下降6dB時(shí)所加的共模輸入電壓值。開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud是指集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)、接入規(guī)定的負(fù)載，輸出電壓的變化量

13、與運(yùn)放輸入端口處的輸入電壓的變化量之比。運(yùn)放的Aud在60120dB之間。不同功能的運(yùn)放，Aud相差懸殊。差模輸入電阻Rid是指輸入差模信號(hào)時(shí)運(yùn)放的輸入電阻。Rid越大，對(duì)信號(hào)源的影響越小,運(yùn)放的輸入電阻Rid一般都在幾百千歐以上。運(yùn)放共模抑制比KCMR的定義與差分放大電路中的定義相同，是差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比，常用分貝數(shù)來(lái)表示。不同功能的運(yùn)放，KCMR也不相同，有的在6070dB之間，有的高達(dá)180dBoKCMR越大，對(duì)共模干擾抑制能力越強(qiáng)。開(kāi)環(huán)帶寬BW開(kāi)環(huán)帶寬又稱(chēng)-3dB帶寬，是指運(yùn)算放大器的差模電壓放大倍數(shù)Aud在高頻段下降3dB所對(duì)應(yīng)的頻率fHo單位增益帶寬BWG是指信號(hào)頻率增加，使Aud下降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率fT,即Aud為0dB時(shí)的信號(hào)頻率fT。它是集成運(yùn)放的重要參數(shù)。741型運(yùn)放的fT=7Hz,是比較低的。轉(zhuǎn)換速率SR（壓擺率）轉(zhuǎn)換速率SR是指放大電路在電