?運(yùn)算放大器(Operational Amplifier，簡稱Op-Amp)是一種具有很高放大倍數(shù)的電路單元，主要用于對輸入信號進(jìn)行放大、運(yùn)算等處理。? 運(yùn)算放大器通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊，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(yùn)算的結(jié)果。

運(yùn)算放大器(op amp)是指具有明確定義操作特性的集成電路。單個(gè)集成電路可以包含一個(gè)運(yùn)算放大器，也可以在一個(gè)單一芯片上包含多個(gè)運(yùn)算放大器。因此，你可能會(huì)看到一個(gè)只有一個(gè)運(yùn)算放大器的集成電路，也可能會(huì)看到一個(gè)在同一塊硅片上實(shí)際上有多個(gè)運(yùn)算放大器的集成電路。運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)電路和工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用中。

運(yùn)算放大器特性

在實(shí)際中，運(yùn)算放大器的輸入阻抗是非常大的，我們可以認(rèn)為是無窮大，輸出阻抗接近于零，可以認(rèn)為是零。大部分情況下，運(yùn)算放大器本質(zhì)上是一個(gè)具有單端輸出的差分放大器，其輸出是非反相輸出。 差分放大器大部分有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出，一個(gè)是反相輸出，一個(gè)是非反相輸出。大多數(shù)運(yùn)算放大器使用雙電源，即與一個(gè)正電源和一個(gè)負(fù)電源相關(guān)聯(lián)。一些運(yùn)算放大器具有多個(gè)補(bǔ)償引腳，這些引腳用于微調(diào)運(yùn)算放大器的行為。例如當(dāng)輸入引腳上為0伏時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生一些輸出電壓。這被稱為偏移電壓，可能是正的或負(fù)的。補(bǔ)償引腳用于抵消這種偏移電壓。需要注意的是，通常情況下，運(yùn)算放大器的增益為100000，因此輸入端上的微小電壓可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的輸出電壓，因此有時(shí)需要這些補(bǔ)償引腳來調(diào)整輸出電壓。通常來說，運(yùn)算放大器包含兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，兩個(gè)電源接口，一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償引腳。下圖表示一個(gè)實(shí)際的運(yùn)算放大器。

分類

根據(jù)不同的應(yīng)用場景和性能要求，運(yùn)算放大器可以分為多種類型，包括：

低噪聲運(yùn)算放大器：用于接收微弱的信號并將其放大到可測量的范圍，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)和醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。

高增益運(yùn)算放大器：具有很高的放大倍數(shù)和較低的失真率，常用于音頻放大器、視頻放大器等對音質(zhì)要求較高的場合。

高速運(yùn)算放大器：具有很高的工作頻率和較低的傳輸延遲，適用于高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。

高壓運(yùn)算放大器：具有很高的輸入電壓承受能力和較低的輸出電流消耗，適用于高壓應(yīng)用領(lǐng)域。

主要參數(shù)

運(yùn)算放大器的性能可以通過一系列參數(shù)來描述，這些參數(shù)包括：

放大倍數(shù)：指在沒有反饋的情況下，運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的比值，通常高達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬倍。

輸入電阻：運(yùn)算放大器輸入端的電阻，通常非常高(百萬至千萬歐姆)，以減少對輸入信號的影響。

輸出電阻：運(yùn)算放大器輸出端的電阻，影響輸出信號能否有效驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

共模抑制比：衡量運(yùn)算放大器對共模干擾的抑制能力，通常用于描述其在處理共模信號時(shí)的性能。

基本原理

運(yùn)算放大器的工作原理可以概括為以下幾個(gè)步驟：

輸入信號：從輸入端引入待放大的信號，通常為電壓信號。

輸入級：輸入信號首先經(jīng)過一個(gè)輸入級，該級通常由一個(gè)差動(dòng)放大器組成，用于增大輸入信號的幅度并提供與輸入信號相同的放大倍數(shù)。

中間級：放大后的信號進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)中間級，這些級別由放大器組成，用于進(jìn)一步增加信號的幅度，并可能對信號進(jìn)行濾波和調(diào)整。

輸出級：最終放大后的信號通過輸出級輸出，輸出級通常由一個(gè)功率放大器組成，提供足夠的功率來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

運(yùn)算放大器具有一個(gè)同相輸入端、一個(gè)反相輸入端、兩個(gè)直流電源引腳(正極和負(fù)極)、一個(gè)輸出端和一個(gè)附加的凋零引腳。理想的運(yùn)算放大器具有以下特性：

?無限大的開環(huán)增益?：輸入端的差動(dòng)信號有無限大的電壓增益，這使得運(yùn)算放大器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)非常適合加上負(fù)反饋組態(tài)。

?無限大的輸入阻抗?：輸入端不容許任何電流流入，即輸入阻抗無限大。

?零輸出阻抗?：輸出端是一個(gè)完美的電壓源，無論流至放大器負(fù)載的電流如何變化，輸出電壓恒為一定值。

?高共模抑制比?：只對兩輸入端電壓的差值有反應(yīng)，忽略相同的部分。

應(yīng)用領(lǐng)域

運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，包括信息家電、手機(jī)、PDA、網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用。由于其高精度和高放大倍數(shù)，運(yùn)算放大器在信號處理、測量儀器、音頻設(shè)備等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。

什么是運(yùn)放?它有哪些分類?又有哪些主要參數(shù)呢?接下來，納祥科技將帶您深入了解運(yùn)放的奧秘。

(一)什么是運(yùn)放?

運(yùn)算放大器(Operational Amplifier，簡稱運(yùn)放)，是一種高增益、直流耦合的電子放大器，廣泛應(yīng)用于模擬電路設(shè)計(jì)中。

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，常被用作信號放大、濾波、比較、積分等電路中的關(guān)鍵部件。

(二)運(yùn)放的工作原理

運(yùn)放的全稱是 “運(yùn)算放大器” ，顧名思義，運(yùn)放主要具有 “運(yùn)算” 和 “放大” 兩個(gè)主要特性，運(yùn)放本身具有對差模信號的放大功能，當(dāng)給它加上一定形式的負(fù)反饋，就能完成加法、減法、積分、微分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，運(yùn)算特性本質(zhì)是對放大特性的應(yīng)用。

如壓控運(yùn)算放大器可以簡化為下圖：

它的工作原理大概是這樣的：輸入會(huì)有兩個(gè)電壓V+和V-，輸入之后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差Vin，電壓差加在輸入電阻Rin上面。這里面還有一個(gè)壓控電壓源，它會(huì)把收到的一個(gè)小電壓放大G倍(即GVin)，然后再通過一個(gè)內(nèi)部的輸出電阻Rout輸出出去，那么就可以得到一個(gè)被放大的電壓Vout。

(三)運(yùn)放的關(guān)鍵指標(biāo)有哪些?

運(yùn)算放大器的參數(shù)眾多，約有二十多個(gè)，如增益、輸入阻抗、輸出阻抗、截止頻率、噪聲等。其中，最主要的參數(shù)包括以下幾個(gè)：

⑴ 增益帶寬積(GBW)

這是衡量運(yùn)放在不同頻率下增益能力的一個(gè)參數(shù)，它表示運(yùn)放的開環(huán)增益與頻率的乘積。GBW值越大，表明運(yùn)放在更寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的增益。

⑵ 轉(zhuǎn)換速率(SR)

也叫壓擺率，這是指運(yùn)放輸出電壓對時(shí)間的變化率，即運(yùn)放響應(yīng)輸入信號變化的速度。高SR值對于快速變化的信號放大尤為重要。

⑶ 共模抑制比(CMRR)

這是衡量運(yùn)放抑制共模信號(兩個(gè)輸入端的共同信號)能力的參數(shù)。高CMRR值意味著更好的抗干擾性能。

⑷ 輸入失調(diào)電壓(Vos)

這是指運(yùn)放在無輸入信號時(shí)，輸出端存在的直流電壓偏移。低Vos值有助于提高電路的精度和穩(wěn)定性。

⑸ 電源抑制比(PSRR)

這反映了運(yùn)放對電源噪聲的抑制能力。高PSRR值有助于減少電源噪聲對電路性能的影響。

(四)運(yùn)放有哪些種類?

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)放可以分為多種不同類型。最常見的分類包括通用型、精密型、高速型、低功耗型、高壓大功率型和可編程控制型等。以下是對運(yùn)放種類的詳細(xì)介紹：

⑴ 通用型

特點(diǎn)：通用型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于滿足大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用的需求，具有價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣的特點(diǎn)。

應(yīng)用：適用于音頻設(shè)備、一般的信號放大等場景。

⑵ 精密型

特點(diǎn)：精密型運(yùn)算放大器具有非常低的失調(diào)電壓和溫度漂移，適合對精度要求極高的應(yīng)用。

應(yīng)用：常用于精密儀器、醫(yī)療設(shè)備以及任何需要高精度信號處理的場合。

⑶ 高速型

特點(diǎn)：高速型運(yùn)算放大器具備快速響應(yīng)能力，適用于高速信號處理。

應(yīng)用：主要用于視頻信號處理、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等需要快速操作的領(lǐng)域。

⑷ 低功耗型

特點(diǎn)：低功耗型運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于便攜式和遠(yuǎn)程設(shè)備中，以減少能源消耗。

應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于電池供電的設(shè)備，如便攜式醫(yī)療設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

⑸ 高壓大功率型

特點(diǎn)：這類運(yùn)算放大器可以處理高電壓和大功率，適用于驅(qū)動(dòng)大型負(fù)載或在高壓環(huán)境下工作。

應(yīng)用：常用于工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車電子等領(lǐng)域。

⑹ 可編程控制型

特點(diǎn)：可通過外部控制調(diào)整放大倍數(shù)，提供靈活的配置選項(xiàng)。

應(yīng)用：適用于需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整放大參數(shù)的測試設(shè)備和自適應(yīng)信號處理系統(tǒng)。

(五)如何選擇運(yùn)放芯片?

運(yùn)放芯片，指的是集成了運(yùn)算放大器功能的半導(dǎo)體芯片，通常包含一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器電路，并且可能包括其他輔助電路如偏置電路、保護(hù)電路等。

在選型過程中，需要綜合考慮應(yīng)用場景、關(guān)鍵參數(shù)、環(huán)境條件、封裝與尺寸以及成本與供應(yīng)鏈等因素。